JP7026780B2 - 光電変換素子、撮像素子、光センサ、化合物 - Google Patents
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Description
光電変換膜を使用した光電変換素子に関しては、例えば、特許文献1において、所定の化合物を含む光電変換膜を有する光電変換素子が開示されている。
本発明者らは、特許文献1の実施例欄で具体的に記載されている光電変換素子の特性について検討したところ、光電変換素子内の光電変換膜の吸収ピークの半値幅は広く、更なる改良が必要であった。
また、光電変換素子においては、光電変換効率が優れることも求められる。
また、本発明は、撮像素子、光センサ、および、化合物を提供することも課題とする。
上記光電変換膜が、後述する式(1)で表される化合物を含む、光電変換素子。
なお、後述する式(1)中、B1は後述する式(B-1)で表される基であるのが好ましい。
(2) 上記後述する式(1)で表される化合物が、後述する式(2)で表される化合物、または、後述する式(2b)で表される化合物である、(1)に記載の光電変換素子。
(3) 上記後述する式(2)および後述する式(2b)中の上記後述する式(B-1-1)で表される基が、後述する式(J-1)~(J-5)で表される基である、(2)に記載の光電変換素子。
(4) 上記後述する式(1)で表される化合物が、上記後述する式(2)または上記後述する式(2b)で表される化合物であり、
上記後述する式(2)または、上記後述する式(2b)で表される化合物中、上記後述する式(B-1-1)で表される基が上記後述する式(J-1)で表される基、または、上記後述する式(J-2)で表される基である、(3)に記載の光電変換素子。
(5) 上記後述する式(1)で表される化合物が、上記後述する式(2b)で表される化合物であり、かつ、Rc1が、上記後述する式(R-2)で表される基、上記後述する式(R-3)で表される基を、上記後述する式(R-4)で表される基、後述する式(4A)で表される基、または、置換基を有してもよい多環の芳香族環を表す、(2)~(4)のいずれかに記載の光電変換素子。
(6) 上記後述する式(1)で表される化合物が、上記後述する式(2b)で表される化合物であり、
上記後述する式(2b)で表される化合物中、上記後述する式(B-1-1)で表される基が上記後述する式(J-1)で表される基であり、かつ、Rc1が上記後述する式(4A)で表される基、または、置換基を有してもよい多環の芳香族環を表す、(5)に記載の光電変換素子。
(7) 上記後述する式(1)で表される化合物が、後述する式(2b-1)で表される化合物、または、後述する式(2b-2)で表される化合物である、(5)または(6)に記載の光電変換素子。
(8) 後述する式(2b-1)および式(2b-2)中、Rc2が、後述する式(5A)で表される基、後述する式(5B)で表される基、または、置換基を有してもよいナフチル基を表す、(7)に記載の光電変換素子。
(9) 上記光電変換膜が、さらにn型有機半導体を含み、
上記光電変換膜が、上記後述する式(1)で表される化合物と上記n型有機半導体とが混合された状態で形成されるバルクへテロ構造を有する、(1)~(8)のいずれかに記載の光電変換素子。
(10) 上記n型有機半導体が、フラーレン及びその誘導体からなる群より選択されるフラーレン類を含む、(9)に記載の光電変換素子。
(11) 上記導電性膜と上記透明導電性膜との間に、上記光電変換膜の他に1種以上の中間層を有する、(1)~(10)のいずれかに記載の光電変換素子。
(12) (1)~(11)のいずれかに記載の光電変換素子を有する、撮像素子。
(13) さらに、上記光電変換素子が受光する光とは異なる波長の光を受光する他の光電変換素子を有する、(12)に記載の撮像素子。
(14) 上記光電変換素子と、上記他の光電変換素子とが積層されており、
入射光の内の少なくとも一部が上記光電変換素子を透過した後に、上記他の光電変換素子で受光される、(13)に記載の撮像素子。
(15) 上記光電変換素子が緑色光電変換素子であり、
上記他の光電変換素子が、青色光電変換素子および赤色光電変換素子を含む、(13)または(14)に記載の撮像素子。
(16) (1)~(11)のいずれかに記載の光電変換素子を有する、光センサ。
(17) 後述する式(1)で表される、化合物。
(18) 後述する式(2)で表される化合物、または、後述する式(2b)で表される化合物である、(17)に記載の化合物。
(19) 上記後述する式(2b)で表される化合物であり、かつ、Rc1が、上記後述する式(R-2)で表される基、上記後述する式(R-3)で表される基を表し、上記後述する式(R-4)、後述する式(4A)で表される基、または、置換基を有してもよい多環の芳香族環を表す、(18)に記載の化合物。
(20) 後述する式(2b-1)で表される化合物、または、後述する式(2b-2)で表される化合物である、(19)に記載の化合物。
また、本発明によれば、撮像素子、光センサ、および、化合物を提供できる。
なお、本明細書において、置換または無置換を明記していない置換基等については、目的とする効果を損なわない範囲で、その基にさらに置換基(例えば、後述する置換基W)が置換していてもよい。例えば、「アルキル基」という表記は、無置換のアルキル基、または、置換基(例えば、後述する置換基W)が置換していてもよいアルキル基を意味する。
また、本明細書において、「置換基」としては、後述する置換基Wで例示される基が挙げられる。「置換基」としては、アルキル基、アリール基、または、ヘテロアリール基が好ましい。
本明細書において「芳香族環」は芳香族性を示す環を意味する。「芳香族環」は置換基を有していても有していなくてもよい。また「芳香族環」は芳香族性を示す環1つからなる「単環の芳香族環」でもよく、2つ以上の環が縮環した「多環の芳香族環」でもよい。
なお、「多環の芳香族環」は、芳香族性を示す環を2つ以上有する。
芳香族環としては、芳香族炭化水素環および芳香族複素環のどちらでもよい。
上記「芳香族環(単環の芳香族環又は多環の芳香族環)」が有する置換基同士は互いに結合して更なる環を形成してもよい。
単環の芳香族環としては、例えば、ベンゼン環のような単環の芳香族炭化水素環、ならびに、ピロール環、フラン環、チオフェン環、イミダゾール環、および、オキサゾール環のような単環の芳香族複素環が挙げられる。
多環の芳香族環としては、例えば、ナフタレン環、アントラセン環、フルオレン環、および、フェナントレン環のような多環の芳香族炭化水素環、ならびに、キノリン環、および、ベンゾチオフェン環のような多環の芳香族複素環が挙げられる。
本明細書において「非芳香族環」は、芳香族性を示さない環を意味する。「非芳香族環」は置換基を有していても有していなくてもよい。また「非芳香族環」は芳香族性を示さない環1つからなる「単環の非芳香族環」でもよく、2つ以上の芳香族性を示さない環が縮環していて全体として芳香族性を示さない「多環の非芳香族環」でもよい。
ただし、本明細書において、非芳香族環が有する置換基同士は互いに結合して環を形成してもよく、非芳香族環の置換基同士が互いに結合して芳香族環を形成してもよい。また、非芳香族環は、置換基(又はその一部分)として芳香族環を有してもよい。
なお「芳香族構造を含まない非芳香族環」では、非芳香族環の一部分としても芳香族環を含むことはない。例えば、芳香族構造を含まない非芳香族環では、非芳香族環の置換基(又はその一部分)が芳香族環であることもなく、非芳香族環の置換基同士が互いに結合して形成する環が芳香族環であることもない。
非芳香族環としては、例えば、脂肪族炭化水素環(シクロアルカン環等)及びシクロアルケン環が挙げられる。
また、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
図1に示す光電変換素子10aは、下部電極として機能する導電性膜(以下、下部電極とも記す)11と、電子ブロッキング膜16Aと、後述する特定化合物を含む光電変換膜12と、上部電極として機能する透明導電性膜(以下、上部電極とも記す)15とがこの順に積層された構成を有する。
図2に別の光電変換素子の構成例を示す。図2に示す光電変換素子10bは、下部電極11上に、電子ブロッキング膜16Aと、光電変換膜12と、正孔ブロッキング膜16Bと、上部電極15とがこの順に積層された構成を有する。なお、図1および図2中の電子ブロッキング膜16A、光電変換膜12、および、正孔ブロッキング膜16Bの積層順は、用途および特性に応じて、適宜変更してもよい。
また、光電変換素子10a(または10b)を使用する場合には、電圧を印加できる。この場合、下部電極11と上部電極15とが一対の電極をなし、この一対の電極間に、1×10-5~1×107V/cmの電圧を印加することが好ましい。性能および消費電力の点から、印加される電圧としては、1×10-4~1×107V/cmがより好ましく、1×10-3~5×106V/cmがさらに好ましい。
なお、電圧印加方法については、図1および図2において、電子ブロッキング膜16A側が陰極となり、光電変換膜12側が陽極となるように印加することが好ましい。光電変換素子10a(または10b)を光センサとして使用した場合、また、撮像素子に組み込んだ場合も、同様の方法により電圧を印加できる。
後段で、詳述するように、光電変換素子10a(または10b)は撮像素子用途に好適に適用できる。
光電変換膜は、光電変換材料として特定化合物を含む膜である。この化合物を使用することにより、吸収ピークの半値幅が狭い光電変換膜を有し、光電変換効率に優れる光電変換素子が得られる。
以下、特定化合物について詳述する。
式(1)中、R5(または、R6)が結合する炭素原子とそれに隣接する炭素原子とで構成されるC=C二重結合に基づいて区別され得る幾何異性体について、式(1)はそのいずれをも含む。つまり、上記C=C二重結合に基づいて区別されるシス体とトランス体とは、いずれも式(1)に含まれる。
以下の式(2)、式(2b)、式(3)~(7)、式(2b-1)、式(2b-2)においても同様である。
アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、または、フルオレニル基が挙げられる。
アリール基が有し得る置換基としては後述する置換基Wが挙げられ、例えば、アルキル基およびハロゲン原子が挙げられ、アルキル基が好ましい。
アリール基は、置換基を複数種類有していてもよい。
アリール基が置換基を有する場合、アリール基が有する置換基の数は特に制限されないが、1~5が好ましく、2~3がより好ましい。
なお、アリール基としては、ハロゲン原子以外の置換基が置換していてもよいアリール基が好ましい。
ヘテロアリール基は、炭素原子および水素原子以外にヘテロ原子を有する。ヘテロ原子としては、例えば、硫黄原子、酸素原子、窒素原子、セレン原子、テルル原子、リン原子、ケイ素原子、および、ホウ素原子が挙げられ、硫黄原子、酸素原子、または、窒素原子が好ましい。
ヘテロアリール基が有するヘテロ原子の数は特に制限されないが、1~10が好ましく、1~4がより好ましく、1~2がさらに好ましい。
ヘテロアリール基の環員数は特に制限されないが、3~8が好ましく、5~7がより好ましく、5~6がさらに好ましい。なお、ヘテロアリール基は、単環構造であっても、2個以上の環が縮環した縮環構造であってもよい。縮環構造の場合、ヘテロ原子を有さない芳香族炭化水素環(例えば、ベンゼン環)が含まれていてもよい。
ヘテロアリール基としては、例えば、フリル基、ピリジル基、キノリル基、イソキノリル基、アクリジニル基、フェナントリジニル基、プテリジニル基、ピラジニル基、キノキサリニル基、ピリミジニル基、キナゾリル基、ピリダジニル基、シンノリニル基、フタラジニル基、トリアジニル基、オキサゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、チアゾリル基、ベンゾチアゾリル基、イミダゾリル基、ベンゾイミダゾリル基、ピラゾリル基、インダゾリル基、イソオキサゾリル基、ベンゾイソオキサゾリル基、イソチアゾリル基、ベンゾイソチアゾリル基、オキサジアゾリル基、チアジアゾリル基、トリアゾリル基、テトラゾリル基、ベンゾフリル基、チエニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾフリル基、ジベンゾチエニル基、ピロリル基、インドリル基、イミダゾピリジニル基、および、カルバゾリル基が挙げられる。
中でも、フリル基、チエニル基、ピリジル基、キノリル基、イソキノリル基、または、カルバゾリル基が好ましい。
ヘテロアリール基が置換基を有する場合、ヘテロアリール基が有する置換基の数は特に制限されないが、1~5が好ましく、1~3がより好ましい。
ただし、Ra1は、置換基を有してもよいアリール基、および、置換基を有してもよいヘテロアリール基のいずれでもない。
*は、結合位置を表す。
Ra2およびRa3は、互いに結合して環を形成していてもよい。より具体的には、Ra2およびRa3は、単結合または連結基を介して互いに結合して環を形成してもよい。
Ra2およびRa3が互いに結合して形成される環としては、芳香族環(芳香族炭化水素環または芳香族複素環)および非芳香族環が挙げられる。
*は、結合位置を表す。
Ra4~Ra6は、互いに結合して環を形成していてもよい。より具体的には、Ra4とRa5、Ra5とRa6、および、Ra4とRa6は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して環を形成してもよい。
形成される環の種類は、Ra2およびRa3が互いに結合して形成される環で例示した環が挙げられる。
*は、結合位置を表す。
*は、結合位置を表す。
アリール基およびヘテロアリール基の定義は、R1で説明したアリール基の定義と同義である。
なお、式(4A)中にRe12が複数存在する場合、Re12は、互いに同一であっても異なっていてもよく、また、Re12同士が互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環を形成してもよい。
中でも、Re13およびRe14の一方または両方が置換基(炭素数1~4のアルキル基等)を表すのが好ましい。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、芳香族炭化水素環が好ましく、ナフタレン環、または、フルオレン環がより好ましい。
R2およびR3に含まれる炭素数の合計は特に制限されず、2以上の場合が多く、本発明の効果がより優れる点で、4以上が好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、12以下が好ましい。
R2およびR3は、互いに結合して環を形成していてもよい。より具体的には、R2およびR3は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して環を形成してもよい。
形成される環の種類は、Ra2およびRa3が互いに結合して形成される環で例示した環が挙げられる。
R5およびR6は、本発明の効果がより優れる点で、水素原子が好ましい。
nが2以上の場合、複数のR4は互いに結合して、芳香環構造を含まない非芳香族環、または、フルオレン環を形成してもよい。
ハメットの置換基定数σpが0.05以下の置換基としては、例えば、アルキル基、アルケニル基(シクロアルケニル基、および、ビシクロアルケニル基を含む)、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基(ヘテロ環基といってもよい。)、シリル基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む。)、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、および、ヘテロ環チオ基が挙げられる。なかでも、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、または、フェニル基が好ましい。
また、nが2以上である場合、R1に含まれる炭素数、R2に含まれる炭素数、R3に含まれる炭素数、および、2つ以上のR4のそれぞれの炭素数の合計が、5以上である。
また、2つのR4同士が結合して環を形成している場合、R1に含まれる炭素数、R2に含まれる炭素数、R3に含まれる炭素数、および、R4同士が結合して形成される環に含まれる炭素数の合計が、5以上である。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は7以上が好ましく、9以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
式(B-1-1)、式(B-1-2)、式(B-2)、式(B-3)中、*は連結位置を表す。
Eは、少なくとも2つの炭素原子を含む環を表す。なお、2つの炭素原子とは、式(B-1-1)中のZ1と二重結合で結合する炭素原子と、Z1と二重結合で結合する炭素原子に隣接する炭素原子とを意図し、いずれの炭素原子もEを構成する原子である。
Eの炭素数は、2~30が好ましく、2~20がより好ましく、2~15がさらに好ましい。なお上記炭素数は、式中に明示される2個の炭素原子を含む数である。
Eは、ヘテロ原子を有していてもよく、例えば、窒素原子、硫黄原子、酸素原子、セレン原子、テルル原子、リン原子、ケイ素原子、および、ホウ素原子が挙げられ、窒素原子、硫黄原子、または、酸素原子が好ましい。
Eは置換基を有していてもよい。
E中のヘテロ原子の数は、0~10が好ましく、0~5がより好ましく、0~3がさらに好ましい。なお、上記ヘテロ原子の数は、Z1に含まれるヘテロ原子の数を含まない数である。
Eは、芳香族性を示してもよく、示さなくてもよい。
Eは、単環構造でもよく、縮環構造でもよいが、5員環、6員環、または、5員環および6員環の少なくともいずれかを含む縮合環であるのが好ましい。上記縮合環を形成する環の数は、1~4が好ましく、1~3がより好ましい。
Z1は、酸素原子が好ましい。
Rb1~Rb5およびRb7~Rb10は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
Rb7~Rb10は、互いに結合して環を形成してもよい。例えば、Rb7とRb8、Rb8とRb9、および、Rb9とRb10は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して環を形成してもよい。
形成される環の種類は、Ra2およびRa3が互いに結合して形成される環で例示した環が挙げられる。
Ra7およびRa8は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
Ra7およびRa8は、互いに結合して環を形成してもよい。より具体的には、Ra7およびRa8は、単結合または連結基を介して互いに結合して環を形成してもよい。
形成される環の種類は、Ra2およびRa3が互いに結合して形成される環で例示した環が挙げられる。
Rb1~Rb5は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
E2の炭素数は、2~30が好ましく、2~20がより好ましく、2~15がさらに好ましい。なお上記炭素数は、式中に明示される2個の炭素原子を含む数である。
E2は、ヘテロ原子を有していてもよく、例えば、窒素原子、硫黄原子、酸素原子、セレン原子、テルル原子、リン原子、ケイ素原子、および、ホウ素原子が挙げられ、窒素原子、硫黄原子、または、酸素原子が好ましい。
E2は置換基を有していてもよい。
E2中のヘテロ原子の数は、0~10が好ましく、0~5がより好ましく、0~3がさらに好ましい。なお、上記ヘテロ原子の数は、式(B-1)中に明示されるE2を構成するカルボニル基に含まれる酸素原子の数を含まない数である。
E2は、芳香族性を示してもよく、示さなくてもよい。
E2は、単環構造でもよく、縮環構造でもよいが、5員環、6員環、または、5員環および6員環の少なくともいずれかを含む縮合環であるのが好ましい。上記縮合環を形成する環の数は、1~4が好ましく、1~3がより好ましい。
Rg1~Rg4は、互いに結合して環を形成してもよい。例えば、Rg1とRg2、Rg2とRg3、および、Rg3とRg4は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して環を形成してもよい。
形成される環の種類は、Ra2およびRa3が互いに結合して形成される環で例示した環が挙げられる。
Kは、-CO-、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、テルル原子、-NRb1-、-CRb2Rb3-、または、-SiRb4Rb5-を表す。Rb1~Rb5は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
Chは、=CRa7Ra8、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、または、テルル原子を表す。Ra7およびRa8は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
Ra7およびRa8は、互いに結合して環を形成してもよい。より具体的には、Ra7およびRa8は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して環を形成してもよい。
形成される環の種類は、Ra2およびRa3が互いに結合して形成される環で例示した環が挙げられる。
Chは、=CRa7Ra8、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、または、テルル原子を表す。Ra7およびRa8は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
Ra7およびRa8は、互いに結合して環を形成してもよい。
Lは、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、または、テルル原子を表す。
Rg8およびRg9は、互いに結合して環を形成してもよい。より具体的には、Rg8およびRg9は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して環を形成してもよい。
形成される環の種類は、Ra2およびRa3が互いに結合して形成される環で例示した環が挙げられる。
Rg10およびRg11は、互いに結合して環を形成してもよい。
Chは、=CRa7Ra8、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、または、テルル原子を表す。Ra7およびRa8は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Ra7およびRa8は、互いに結合して環を形成してもよい。
Rc1は、置換基を有していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいヘテロアリール基、式(R-2)で表される基、式(R-3)で表される基、または、式(R-4)で表される基を表す。各基の定義および好適態様は上述した通りである。
R7~R10は、互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環を形成してもよい。例えば、R7とR8、R8とR9、および、R9とR10は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環を形成してもよい。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、R7~R10のうちの1つのみが、ハメットの置換基定数σpが0.05以下の置換基を表すことが好ましい。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は11以上が好ましく、15以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
なかでも、式(2b)においてRc1は、式(R-2)で表される基、式(R-3)で表される基、式(R-4)で表される基、式(4A)で表される基、または、置換基を有してもよい多環の芳香族環が好ましく、式(5A)で表される基、式(5B)で表される基、または、置換基を有してもよいナフチル基がより好ましい。
A2は置換基を有してもよい多環の芳香族環を表す。多環の芳香族環としては、ナフタレン環、または、フルオレン環が好ましい。
つまり、Rc1に含まれる炭素数、R2に含まれる炭素数、R3に含まれる炭素数、および、R4に含まれる炭素数の合計が5以上である。なお、nが0である場合は、R4に含まれる炭素数は0とする。
また、nが2以上である場合、R1に含まれる炭素数、R2に含まれる炭素数、R3に含まれる炭素数、および、2つ以上のR4のそれぞれの炭素数の合計が、5以上である。
また、2つのR4同士が結合して環を形成している場合、R1に含まれる炭素数、R2に含まれる炭素数、R3に含まれる炭素数、および、R4同士が結合して形成される環に含まれる炭素数の合計が、5以上である。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は7以上が好ましく、9以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
R11~R16は、互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環、または、フルオレン環を形成してもよい。例えば、R11とR12、R12とR13、R13とR14、R14とR15、および、R15とR16は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環またはフルオレン環を形成してもよい。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は11以上が好ましく、15以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
R17~R24は、互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環、または、フルオレン環を形成してもよい。例えば、R17とR18、R18とR19、R19とR20、R20とR21、R21とR22、R22とR23、および、R23とR23は、それぞれ独立に、単結合または連結基を介して互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環またはフルオレン環を形成してもよい。また、R18とR19とが結合して、フルオレン環を形成してもよい。この場合、R18とR19とが直接結合する炭素原子をスピロ原子として、9,9′-スピロビ[9H-フルオレン]環が形成されてもよい。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は11以上が好ましく、15以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
式(5)中、Rc2は、上述した式(R-1)で表される基を表す。
R7~R10は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表し、R7~R10は、互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環を形成してもよい。R7~R10のうち少なくとも1つは、ハメットの置換基定数σpが0.05以下の置換基を表す。
R7~R10の定義および好適範囲は、式(2)で説明した定義および好適範囲と同じである。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は11以上が好ましく、15以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
式(6)中、Rc2は、上述した式(R-1)で表される基を表す。
R11~R16は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表し、R11~R16は互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環、または、フルオレン環を形成してもよい。
R11~R16の定義および好適範囲は、式(3)で説明した定義および好適範囲と同じである。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は11以上が好ましく、15以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
式(7)中、Rc2は、上述した式(R-1)で表される基を表す。
R17~R24は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表し、R17~R24は、互いに結合して芳香環構造を含まない非芳香族環、または、フルオレン環を形成してもよい。
R17~R24の定義および好適範囲は、式(4)で説明した定義および好適範囲と同じである。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は11以上が好ましく、15以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
上記式(3)で表される化合物中、式(B-1-1)で表される基が式(J-1)で表される基、または、式(J-2)で表される基であり、
上記式(4)で表される化合物中、式(B-1-1)で表される基が式(J-1)で表される基、または、式(J-2)で表される基である態様が好ましい。
上記式(3)で表される化合物中、式(B-1-1)で表される基が式(J-1)で表される基、または、式(J-2)で表される基であり、かつ、Rc1が、ハロゲン原子以外の置換基が置換していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいヘテロアリール基、式(R-2)で表される基、または、式(R-3)で表される基を表し、
上記式(4)で表される化合物中、式(B-1-1)で表される基が式(J-1)で表される基、または、式(J-2)で表される基であり、かつ、Rc1が、ハロゲン原子以外の置換基が置換していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいヘテロアリール基、式(R-2)で表される基、または、式(R-3)で表される基を表し、
上記式(6)で表される化合物中、B3が、式(B-2)で表される基を表し、
上記式(7)で表される化合物中、B3が、式(B-2)で表される基を表す態様がより好ましい。
上記式(3)で表される化合物中、式(B-1-1)で表される基が式(J-1)で表される基であり、かつ、Rc1が、ハロゲン原子以外の置換基が置換していてもよいアリール基、または、置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表し、
式(4)で表される化合物中、式(B-1-1)で表される基が式(J-1)で表される基であり、かつ、Rc1が、ハロゲン原子以外の置換基が置換していてもよいアリール基、または、置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表し、R2およびR3に含まれる炭素数の合計が4以上である態様がさらに好ましい。
Rc3は、式(4A)で表される基、または、置換基を有してもよい多環の芳香族環を表し、式(5A)で表される基、式(5B)で表される基、または、置換基を有してもよいナフチル基が好ましい。
Rc3、R2、R3、および、R11~R16に含まれる炭素数の合計は、5以上である。つまり、Rc3に含まれる炭素数、R2に含まれる炭素数、R3に含まれる炭素数、R11に含まれる炭素数、R12に含まれる炭素数、R13に含まれる炭素数、R14に含まれる炭素数、R15に含まれる炭素数、および、R16に含まれる炭素数の合計が5以上である。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は11以上が好ましく、15以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、上記炭素数の合計は11以上が好ましく、15以上がより好ましい。上記炭素数の合計は、特に制限されないが、30以下が好ましい。
本明細書における置換基Wについて記載する。
置換基Wとしては、例えば、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、および、ヨウ素原子等)、アルキル基(シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、および、トリシクロアルキル基を含む)、アルケニル基(シクロアルケニル基、および、ビシクロアルケニル基を含む)、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基(ヘテロ環基といってもよい。)、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む。)、アンモニオ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルファモイルアミノ基、アルキルまたはアリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、アルキルまたはアリールスルフィニル基、アルキルまたはアリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールまたはヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基、ヒドラジノ基、ウレイド基、および、ボロン酸基(-B(OH)2)が挙げられる。
また、置換基Wは、さらに置換基Wで置換されていてもよい。例えば、アルキル基にハロゲン原子が置換していてもよい。
なお、上記極大吸収波長は、特定化合物の吸収スペクトルを吸光度が0.5~1になる程度の濃度に調整して溶液状態(溶剤:クロロホルム)で測定した値である。
光電変換膜は、上述した特定化合物以外の他の成分として、n型有機半導体を含むのが好ましい。
n型有機半導体は、アクセプター性有機半導体材料(化合物)であり、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは、n型有機半導体は、2つの有機化合物を接触させて用いた場合に電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機半導体としては、電子受容性のある有機化合物であれば、いずれの有機化合物も使用可能である。
n型有機半導体としては、例えば、フラーレンおよびその誘導体からなる群より選択されるフラーレン類、縮合芳香族炭素環化合物(例えば、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、および、フルオランテン誘導体);窒素原子、酸素原子、および、硫黄原子の少なくとも1つを有する5~7員環のヘテロ環化合物(例えば、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、および、チアゾール等);ポリアリーレン化合物;フルオレン化合物;シクロペンタジエン化合物;シリル化合物;1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸無水物;1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸無水物イミド誘導体、オキサジアゾール誘導体;アントラキノジメタン誘導体;ジフェニルキノン誘導体;バソクプロイン、バソフェナントロリン、およびこれらの誘導体;トリアゾール化合物;ジスチリルアリーレン誘導体;含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体;シロール化合物;ならびに、特開2006-100767号公報の段落[0056]~[0057]に記載の化合物が挙げられる。
フラーレンとしては、例えば、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC80、フラーレンC82、フラーレンC84、フラーレンC90、フラーレンC96、フラーレンC240、フラーレンC540、及び、ミックスドフラーレンが挙げられる。
フラーレン誘導体は、例えば、上記フラーレンに置換基が付加した化合物が挙げられる。置換基としては、アルキル基、アリール基、又は、複素環基が好ましい。フラーレン誘導体としては、特開2007-123707号公報に記載の化合物が好ましい。
また、光電変換膜が、後述するp型有機半導体を含む場合、特定化合物の含有量(=特定化合物の単層換算での膜厚/(特定化合物の単層換算での膜厚+n型有機半導体の単層換算での膜厚+p型有機半導体の単層換算での膜厚)×100)は、15~75体積%が好ましく、35~75体積%がより好ましい。
なお、光電変換膜は、実質的に、特定化合物とn型有機半導体とから構成されるのが好ましい。実質的とは、光電変換膜全質量に対して、特定化合物およびn型有機半導体の合計含有量が95質量%以上であることを意味する。
また、光電変換膜は、特定化合物及びn型有機半導体に加えて、更にp型有機半導体を含んでいてもよい。p型有機半導体としては、例えば、下記に示す化合物が挙げられる。
なお、ここでいうp型有機半導体とは、特定化合物とは異なる化合物であるp型有機半導体を意図する。なお、光電変換膜中にp型有機半導体を含む場合、p型有機半導体は1種単独で使用してもよく、2種以上を使用してもよい。
p型有機半導体とは、ドナー性有機半導体材料(化合物)であり、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。更に詳しくは、p型有機半導体とは、2つの有機化合物を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。
p型有機半導体としては、例えば、トリアリールアミン化合物(例えば、N,N’-ビス(3-メチルフェニル)-(1,1’-ビフェニル)-4,4’-ジアミン(TPD)、4,4’-ビス[N-(ナフチル)-N-フェニル-アミノ]ビフェニル(α-NPD)、特開2011-228614号公報の段落[0128]~[0148]に記載の化合物、特開2011-176259号公報の段落[0052]~[0063]に記載の化合物、特開2011-225544号公報の段落[0119]~[0158]に記載の化合物、特開2015-153910号公報の[0044]~[0051]に記載の化合物、及び、特開2012-94660号公報の段落[0086]~[0090]に記載の化合物等)、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物(例えば、チエノチオフェン誘導体、ジベンゾチオフェン誘導体、ベンゾジチオフェン誘導体、ジチエノチオフェン誘導体、[1]ベンゾチエノ[3,2-b]チオフェン(BTBT)誘導体、チエノ[3,2-f:4,5-f´]ビス[1]ベンゾチオフェン(TBBT)誘導体、特開2018-14474号の段落[0031]~[0036]に記載の化合物、WO2016-194630号の段落[0043]~[0045]に記載の化合物、WO2017-159684号の段落[0025]~[0037]、[0099]~[0109]に記載の化合物、特開2017-076766号公報の段落[0029]~[0034]に記載の化合物等)、シアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物(例えば、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ペンタセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、及び、フルオランテン誘導体)、ポルフィリン化合物、フタロシアニン化合物、トリアゾール化合物、オキサジアゾール化合物、イミダゾール化合物、ポリアリールアルカン化合物、ピラゾロン化合物、アミノ置換カルコン化合物、オキサゾール化合物、フルオレノン化合物、シラザン化合物、並びに、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体が挙げられる。
p型有機半導体としては、n型有機半導体よりもイオン化ポテンシャルが小さい化合物が挙げられ、この条件を満たせば、n型有機半導体として例示した有機色素を使用し得る。
以下に、p型半導体化合物として使用し得る化合物を例示する。
光電変換膜は、主に、乾式成膜法により成膜できる。乾式成膜法としては、例えば、蒸着法(特に、真空蒸着法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、および、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法等の物理気相成長法、並びに、プラズマ重合等のCVD(Chemical Vapor Deposition)法が挙げられる。なかでも、真空蒸着法が好ましい。真空蒸着法により光電変換膜を成膜する場合、真空度および蒸着温度等の製造条件は常法に従って設定できる。
電極(上部電極(透明導電性膜)15と下部電極(導電性膜)11)は、導電性材料から構成される。導電性材料としては、金属、合金、金属酸化物、電気伝導性化合物、およびこれらの混合物等が挙げられる。
上部電極15から光が入射されるため、上部電極15は検知したい光に対し透明であるのが好ましい。上部電極15を構成する材料としては、例えば、アンチモンまたはフッ素等をドープした酸化錫(ATO:Antimony Tin Oxide、FTO:Fluorine doped Tin Oxide)、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO:Indium Tin Oxide)、および、酸化亜鉛インジウム(IZO:Indium zinc oxide)等の導電性金属酸化物;金、銀、クロム、および、ニッケル等の金属薄膜;これらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物;ならびに、ポリアニリン、ポリチオフェン、および、ポリピロール等の有機導電性材料、等が挙げられる。なかでも、高導電性および透明性等の点から、導電性金属酸化物が好ましい。
電極の材料がITOの場合、電子ビーム法、スパッタ法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法(ゾル-ゲル法等)、および、酸化インジウムスズの分散物の塗布等の方法が挙げられる。
本発明の光電変換素子は、導電性膜と透明導電性膜との間に、光電変換膜の他に1種以上の中間層を有しているのも好ましい。上記中間層としては、電荷ブロッキング膜が挙げられる。光電変換素子がこの膜を有することにより、得られる光電変換素子の特性(光電変換効率および応答性等)がより優れる。電荷ブロッキング膜としては、電子ブロッキング膜と正孔ブロッキング膜とが挙げられる。以下に、それぞれの膜について詳述する。
電子ブロッキング膜は、ドナー性有機半導体材料(化合物)であり、上述のp型有機半導体を使用できる。
また、電子ブロッキング膜として、高分子材料も使用できる。
高分子材料としては、例えば、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、および、ジアセチレン等の重合体、並びに、その誘導体が挙げられる。
電子ブロッキング膜は、無機材料で構成されていてもよい。一般的に、無機材料は有機材料よりも誘電率が大きいため、無機材料を電子ブロッキング膜に用いた場合に、光電変換膜に電圧が多くかかるようになり、光電変換効率が高くなる。電子ブロッキング膜となりうる無機材料としては、例えば、酸化カルシウム、酸化クロム、酸化クロム銅、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化ガリウム銅、酸化ストロンチウム銅、酸化ニオブ、酸化モリブデン、酸化インジウム銅、酸化インジウム銀、および、酸化イリジウムが挙げられる。
正孔ブロッキング膜は、アクセプター性有機半導体材料(化合物)であり、上述のn型半導体を利用できる。
光電変換素子は、さらに基板を有していてもよい。使用される基板の種類は特に制限されないが、半導体基板、ガラス基板、および、プラスチック基板が挙げられる。
なお、基板の位置は特に制限されないが、通常、基板上に導電性膜、光電変換膜、および透明導電性膜をこの順で積層する。
光電変換素子は、さらに封止層を有していてもよい。光電変換材料は水分子等の劣化因子の存在で顕著にその性能が劣化してしまうことがある。そこで、水分子を浸透させない緻密な金属酸化物、金属窒化物、もしくは、金属窒化酸化物等のセラミクス、または、ダイヤモンド状炭素(DLC:Diamond-like Carbon)等の封止層で光電変換膜全体を被覆して封止することで、上記劣化を防止できる。
なお、封止層としては、特開2011-082508号公報の段落[0210]~[0215]に記載に従って、材料の選択および製造を行ってもよい。
光電変換素子の用途として、例えば、撮像素子が挙げられる。撮像素子とは、画像の光情報を電気信号に変換する素子であり、通常、複数の光電変換素子が同一平面状でマトリクス上に配置されており、各々の光電変換素子(画素)において光信号を電気信号に変換し、その電気信号を画素ごとに逐次撮像素子外に出力できるものをいう。そのために、画素ひとつあたり、一つ以上の光電変換素子、一つ以上のトランジスタから構成される。
図3は、本発明の一実施形態を説明するための撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。この撮像素子は、デジタルカメラおよびデジタルビデオカメラ等の撮像素子、電子内視鏡、ならびに、携帯電話機等の撮像モジュール等に搭載される。
図3に示す撮像素子20aは、本発明の光電変換素子10aと、青色光電変換素子22と、赤色光電変換素子24とを含み、これらは光が入射する方向に沿って積層されている。光電変換素子10aは、上述したように、主に、緑色光を受光できる緑色光電変換素子として機能できる。
撮像素子20aは、いわゆる積層体型の色分離撮像素子である。光電変換素子10a、青色光電変換素子22、および、赤色光電変換素子24は、それぞれ検出する波長スペクトルが異なる。つまり、青色光電変換素子22および赤色光電変換素子24は、光電変換素子10aが受光(吸収)する光とは異なる波長の光を受光する光電変換素子に該当する。光電変換素子10aでは主に緑色光を受光でき、青色光電変換素子22では主に青色光を受光でき、赤色光電変換素子では主に赤色光を受光できる。
なお、緑色光とは波長500~600nmの範囲の光を、青色光とは波長400~500nmの範囲の光を、赤色光とは波長600~700nmの範囲の光を意図する。
撮像素子20aに矢印の方向から光が入射すると、まず、光電変換素子10aにおいて主に緑色光が吸収されるが、青色光および赤色光に関しては光電変換素子10aを透過する。光電変換素子10aを透過した光が青色光電変換素子22に進んだ際には、主に青色光が吸収されるが、赤色光に関しては青色光電変換素子22を透過する。その後、青色光電変換素子22を透過した光は、赤色光電変換素子24によって吸収される。このように積層型の色分離撮像素子である撮像素子20aにおいては、緑、青、および、赤の3つの受光部で1つの画素を構成でき、受光部の面積を大きく取れる。
特に、本発明の光電変換素子10aにおいては、吸収ピークの半値幅が狭いため、青色光および赤色光の吸収が略生じず、青色光電変換素子22および赤色光電変換素子24での検出性に影響を与えにくい。
例えば、シリコンを用いて光吸収長の差により色を分離する構成の光電変換素子でもよい。より具体的な例としては、青色光電変換素子22と、赤色光電変換素子24とが、ともにシリコンからなっていてもよい。この場合、撮像素子20aに矢印の方向から入射した青色光と緑色光と赤色光とからなる光は、光電変換素子10aによって真ん中の波長の光である緑色光が主に受光され、残る青色光と赤色光とを色分離しやすくなる。青色光と赤色光とは、シリコンに対する光吸収長に差(シリコンに対する吸収係数の波長依存性)があり、青色光はシリコンの表面近傍で吸収されやすく、赤色光はシリコンの比較的深い位置まで侵入できる。このような光吸収長に差に基づき、より浅い位置に存在する青色光電変換素子22によって主に青色光が受光され、より深い位置に存在する赤色光電変換素子24によって主に赤色光が受光される。
また、青色光電変換素子22、及び、赤色光電変換素子24は、導電性膜、青色光又は赤色光に吸収極大を有する有機の光電変換膜、及び、透明導電成膜をこの順で有する構成の光電変換素子(青色光電変換素子22、又は、赤色光電変換素子24)でもよい。
たとえば、配列した青色光電変換素子22と赤色光電変換素子24の上に本発明の光電変換素子10aを配置する態様であってもよい。なお、必要に応じて、光の入射側にさらに所定の波長の光を吸収するカラーフィルタを配置してもよい。
例えば、同一面内位置に、本発明の光電変換素子、青色光電変換素子、および、赤色光電変換素子が配置された態様であってもよい。
以下のスキームに従って、化合物(D-1)を合成した。
濃縮残さにアセトニトリル(40mL)およびトリフルオロメタンスルホン酸メチル(7.14g,43.5mmol)を加え、窒素雰囲気下、得られた溶液を加熱還流で3時間反応させた。得られた溶液にMTBE(80mL)加えると、得られた溶液は化合物2を含む固体とMTBE溶液に分離するので、デカンテーションにてMTBE溶液を除去した。化合物2を含む固体にMTBE(80mL)を加えて分散洗浄を行い、デカンテーションにてMTBEを除去することで橙色固体として化合物2(3.54g,9.33mmol,収率37%)を得た。
得られた化合物(D-1)はNMR(Nuclear Magnetic Resonance)、MS(Mass Spectrometry)により同定した。
1H NMRスペクトル(400MHz、CDCl3)を図4に示す。
MS(ESI+)m/z:436.6([M+H]+)
以下のスキームに従って、化合物(D-2)を合成した。
化合物3(4.00g,11.3mmol)、Ac1(2.87g,9.59mmol)、および、ピペリジン(2.66mL)をブチロニトリル(80mL)に添加し、窒素雰囲気下、得られた溶液を加熱還流で48時間反応させた。得られた溶液を室温まで冷却した後に、析出した固体をろ過により回収して、回収した固体をアセトニトリルで洗浄して、粗体を得た。得られた粗体をシリカゲルカラムクロマト精製(クロロホルム:酢酸エチル=9:1)し、得られた化合物をクロロホルム-アセトニトリル混合溶媒から再結晶し、アセトニトリルで洗浄することで化合物(D-2)(0.99g,2.16mmol,収率23%)を得た。
得られた化合物(D-2)はNMR、MSにより同定した。
1H NMRスペクトル(400MHz、CDCl3)を図5に示す。
MS(ESI+)m/z:458.7([M+H]+)
以下のスキームに従って、化合物(D-3)を合成した。
濃縮した溶液に、MTBE(150mL)および60%ヘキサフルオロリン酸(7.23mL,52.2mmol)を加え、攪拌した。溶液中に析出した化合物7の塩をろ過により回収して、回収した固体をMTBEで洗浄した。得られた化合物7の塩をジクロロメタン(200mL)に加え、さらに、2M水酸化ナトリウム水溶液(200mL)を溶液に滴下して、中和し、ジクロロメタンに溶解させた。ジクロロメタンを減圧にて濃縮し、化合物7(1.13g,3.13mmol,収率12%)を得た。
得られた化合物(D-3)はNMRおよびMSにより同定した。
1H NMRスペクトル(400MHz、CDCl3)を図6に示す。
MS(ESI+)m/z:568.5([M+H]+)
以下のスキームに従って、化合物(D-4)を合成した。
得られた化合物(D-4)はNMRおよびMSにより同定した。
1H NMRスペクトル(400MHz、CDCl3)を図7に示す。
MS(ESI+)m/z:528.3([M+H]+)
以下のスキームに従い、化合物(D-5)は化合物(D-4)と同様に合成した。
MS(ESI+)m/z:556.6([M+H]+)
以下のスキームに従い、化合物(D-6)は化合物(D-4)と同様に合成した。
MS(ESI+)m/z:534.8([M+H]+)
以下のスキームに従い、化合物(D-7)は化合物(D-4)と同様に合成した。
MS(ESI+)m/z:582.5([M+H]+)
以下のスキームに従って、化合物(D-8)を合成した。
MS(ESI+)m/z:512.9([M+H]+)
以下のスキームに従い、化合物(D-9)を化合物(D-4)と同様に合成した。
MS(ESI+)m/z:534.8([M+H]+)
化合物(D-10)は、化合物(D-4)の合成を参考に、以下のスキームに従って合成した。
化合物(D-11)を以下のスキームで合成した。
MS(ESI+)m/z:622.5([M+H]+)
化合物(D-12)は、化合物(D-11)の合成を参考に以下のスキームで合成した。
化合物(D-13)は化合物(D-11)、化合物(D-12)の合成を参考に以下のスキームで合成した。
化合物(D-14)を以下のスキームで合成した。
MS(ESI+)m/z:730.0([M+H]+)
化合物(D-15)は、化合物(D-2)および化合物(D-11)の合成を参考に以下のスキームで合成した。
化合物(D-16)は、化合物(D-2)の合成を参考に以下のスキームで合成した。
化合物(D-17)は、化合物(D-6)の合成と同様に以下のスキームで合成した。
MS(ESI+)m/z:545.8([M+H]+)
化合物(D-18)は、化合物(D-6)および化合物(D-3)の合成を参考に以下のスキームで合成した。
MS(ESI+)m/z:574.9([M+H]+)
化合物(D-19)は、化合物(D-1)および化合物(D-2)の合成を参考に以下のスキームで合成した。
化合物(D-20)は、化合物(D-2)および化合物(D-8)の合成を参考に以下のスキームで合成した。
化合物(D-21)を以下のスキームで合成した。
MS(ESI+)m/z:656.5([M+H]+)
化合物(D-22)、化合物(D-24)~化合物(D-26)の1H NMRスペクトル(400MHz、DMSO)をそれぞれ図18~21に示す。
得られた化合物を用いて図1の形態の光電変換素子を作製した。ここで、光電変換素子は、下部電極11、電子ブロッキング膜16A、光電変換膜12および上部電極15からなる。
具体的には、ガラス基板上に、アモルファス性ITOをスパッタ法により成膜して、下部電極11(厚み:30nm)を形成し、さらに下部電極11上に下記の化合物(EB-1)を真空加熱蒸着法により成膜して、電子ブロッキング膜16A(厚み:30nm)を形成した。
さらに、基板の温度を25℃に制御した状態で、電子ブロッキング膜16A上に化合物(D-1)とフラーレン(C60)とをそれぞれ単層換算で100nm、100nmとなるように真空蒸着法により共蒸着して成膜し、200nmのバルクヘテロ構造を有する光電変換膜12を形成した。
さらに、光電変換膜12上に、アモルファス性ITOをスパッタ法により成膜して、上部電極15(透明導電性膜)(厚み:10nm)を形成した。上部電極15上に、真空蒸着法により封止層としてSiO膜を形成した後、その上にALCVD(Atomic Layer Chemical Vapor Deposition)法により酸化アルミニウム(Al2O3)層を形成し、光電変換素子を作製した。
実施例および比較例にて作製した光電変換素子について、それぞれ、1.0×105V/cmの電界強度になるように電圧を印加した。
その後、上部電極(透明導電性膜)側から光を照射して580nmでの外部量子効率を測定した。外部量子効率は、定エネルギー量子効率測定装置(オプテル社製)を用いて測定した。照射した光量は50μW/cm2であった。また、光電変換素子表面の反射光の影響を除くため、580nmでの外部量子効率の測定値を580nmの光吸収率で除算することで外部量子効率とした。
光電変換効率の相対値が、化合物(D-1)を用いて形成された光電変換素子に対して、1.05以上のものを「AA」、1.00以上1.05未満のものを「A」、0.95以上1.00未満のものを「B」、0.90以上0.95未満のものを「C」、0.90未満のものを「D」とした。結果を表1に示す。
実用上、「AA」、「A」または「B」であることが好ましく、「AA」、「A」であることがより好ましい。
ガラス基板の温度を25℃に制御した状態で、化合物(D-1)とフラーレン(C60)とをそれぞれ単層換算で100nm、100nmとなるように真空加熱蒸着により共蒸着して成膜し、200nmのバルクヘテロ構造を有する光電変換膜を形成した。
この光電変換膜の極大吸収波長および吸収半値幅を日立ハイテック社製、分光光度計U3310を用いて測定した。吸収半値幅は、極大吸収波長の吸光度に対して、0.5倍の吸光度を示した2つの波長の差を表す(極大吸収の0.5倍の吸光度を示す点は、極大吸収波長に対して長波長側、短波長側の2点観測される)。
極大吸収波長に関しては、以下の基準で評価した。結果を表1にまとめて示す。
「A」:極大吸収波長が540nm以上570nm未満の場合
「B」:極大吸収波長が520nm以上540nm未満、または、570nm以上580nm未満の場合
「C」:極大吸収波長が500nm以上520nm未満、または、580nm以上590nm未満の場合
「D」:極大吸収波長が500nm未満、または、590nm以上の場合
吸収半値幅に関しては、以下の基準で評価した。結果を表1にまとめて示す。
「AA」:吸収半値幅が86nm未満の場合
「A」:吸収半値幅が86nm以上92nm未満の場合
「B」:吸収半値幅が92nm以上98nm未満の場合
「C」:吸収半値幅が98nm以上100nm未満の場合
「D」:吸収半値幅が100nm以上の場合
吸収半値幅に関しては、実用上、「AA」、「A」または「B」であることが好ましく、「AA」、「A」であることがより好ましい。
化合物(D-1)を化合物(D-2)~(D-32)、および、比較化合物(R-1)~(R-5)に変更して、上記と同様の評価を実施した。
「n」欄は、式(1)中のnに該当する数を表す。
「R1」欄は、式(1)中のR1に該当する基を表し、「R-1」は式(R-1)で表される基を表し、「R-2」は式(R-2)で表される基を表し、「R-4」は式(R-4)で表される基を表し、「Ar」はアリール基(置換基が置換していてもよい)を表し、「4A」は式(4A)で表される基を表し、「5A」は式(5A)で表される基を表し、「5B」は式(5B)で表される基を表し、「Nap」はナフタレン環(置換基が置換していてもよい)を表す。なお、R1に該当する基が、上記基のうちの複数の条件に該当する場合、後に記載されている基として記載する。例えば、化合物(D-6)におけるR1に該当する基は「Ar」「4A」「5A」のいずれにも該当するが、表中では「5A」とのみ示す。
「B1」欄は、式(1)中のB1に該当する基を表し、「B-2」は式(B-2)で表される基を表し、「J-1」~「J-5」はそれぞれ式(J-1)~式(J-5)で表される基を表す。
「合計数」は、式(1)中のR1~R4に含まれる炭素数の合計を表す。
「式」欄は、各化合物が式(1)で表される化合物、式(2)で表される化合物、式(2b)で表される化合物、式(2b-1)で表される化合物、および、式(2b-2)で表される化合物中のどの化合物に該当するかを示す。「1」は式(1)で表される化合物であることを意味し、「2」は式(2)で表される化合物であることを意味し、「2b」は式(2b)で表される化合物であることを意味し、「2b-1」は式(2b-1)で表される化合物であることを意味し、「2b-2」は式(2b-2)で表される化合物であることを意味する。なお、化合物が、上記式のうちの複数に該当する場合、後に記載されている式として記載する。例えば、式(2b-1)および式(2b-2)で表される化合物は、同時に、式(1)、式(2b)で表される化合物にも該当するが、表中ではそれぞれ「2b-1」および「2b-2」とのみ示す。
また、化合物(D-1)および(D-19)中のベンゼン環に置換しているブチル基のハメットの置換基定数σpは、-0.20であった。
(実施例2~12、16~20、22~32の結果など(全評価項目で「B」評価が1つ以下))
(実施例2、5~10、16~18、20、22~31の結果など(いずれも、全評価項目で「A」評価以上))
(実施例5~7、10、17、18、22、24~27、30の結果など(いずれも、全評価項目で「A」評価以上、かつ、「AA」評価の項目がある))
化合物(D-1)~(D-32)を用いて、図3に示す形態と同様の撮像素子をそれぞれ作製した。
緑色光電変換素子として機能する上記光電変換素子は、上述した方法により作製した。
なお、青色光電変換素子および赤色光電変換素子は、特開2005-303266号公報に記載の参考にして作製した。
得られた撮像素子においては、本発明の光電変換素子中の光電変換膜の吸収ピークの半値幅が狭いため、青色光電変換素子および赤色光電変換素子での受光がしやすく、色分離性能に優れていた。
11 導電性膜(下部電極)
12 光電変換膜
15 透明導電性膜(上部電極)
16A 電子ブロッキング膜
16B 正孔ブロッキング膜
20a 撮像素子
22 青色光電変換素子
24 赤色光電変換素子
Claims (21)
- 導電性膜、光電変換膜、および、透明導電性膜をこの順で有する光電変換素子であって、
前記光電変換膜が、式(1)で表される化合物を含む、光電変換素子。
式(R-4)中、Ra12は、アリール基またはヘテロアリール基を表す。*は、結合位置を表す。
Aは、ベンゼン環、ナフタレン環、フルオレン環、フェナントレン環、キノリン環またはベンゾチオフェン環を表す。
R2およびR3は、それぞれ独立に、アルキル基またはアリール基を表す。R2およびR3は、互いに結合して環を形成してもよい。R4は、ハロゲン原子、アルコキシ基、アルキル基またはアリール基を表す。R5およびR6は、それぞれ独立に、水素原子を表す。nは0~18の整数を表す。nが2以上の場合、複数のR4は互いに結合してフルオレン環を形成してもよい。
Aがベンゼン環の場合、nは1以上であり、R4の少なくとも1つはアルコキシ基、アルキル基またはアリール基を表す。
R1~R4に含まれる炭素数の合計は5以上である。
R1がハロゲン原子若しくはアルキル基を有していてもよいアリール基、ハロゲン原子若しくはアルキル基を有していてもよいヘテロアリール基、前記式(R-2)で表される基、または、前記式(R-4)で表される基を表す場合、B1は式(B-1-1)で表される基、または、(B-1-2)で表される基を表す。
式(B-1-2)中、Rb21及びRb22は、それぞれ独立に、シアノ基、または、-COORb23を表す。Rb23は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアリール基、または、置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。
ただし、式(1)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。 - 前記式(1)で表される化合物が、式(2)で表される化合物、または、式(2b)で表される化合物である、請求項1に記載の光電変換素子。
R2およびR3は、それぞれ独立に、アルキル基またはアリール基を表す。R2およびR3は、互いに結合して環を形成してもよい。R5およびR6は、それぞれ独立に、水素原子を表す。R7~R10は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルコキシ基、アルキル基またはアリール基を表す。R7~R10のうち少なくとも1つはアルコキシ基、アルキル基またはアリール基を表す。Rc1、R2、R3、および、R7~R10に含まれる炭素数の合計は5以上である。B2は、前記式(B-1-1)で表される基を表す。
ただし、式(2)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。
A2は、ナフタレン環、フルオレン環、フェナントレン環、キノリン環またはベンゾチオフェン環を表す。B2は、前記式(B-1-1)で表される基を表す。Rc1およびR2~R4に含まれる炭素数の合計は5以上である。nは0~18の整数を表す。nが2以上の場合、複数のR4は互いに結合してフルオレン環を形成してもよい。
ただし、式(2b)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。 - 前記式(2)および式(2b)中の前記式(B-1-1)で表される基が、式(J-1)~(J-5)で表される基である、請求項2に記載の光電変換素子。
式(J-2)中、Rg5およびRg6は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Chは、=CRa7Ra8、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、または、テルル原子を表す。Ra7およびRa8は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Ra7およびRa8は、互いに結合して環を形成してもよい。
式(J-3)中、Rg7は、水素原子または置換基を表す。Chは、=CRa7Ra8、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、または、テルル原子を表す。Ra7およびRa8は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Ra7およびRa8は、互いに結合して環を形成してもよい。Lは、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、または、テルル原子を表す。
式(J-4)中、Rg8およびRg9は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Rg8およびRg9は、互いに結合して環を形成してもよい。Kは、-CO-、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、テルル原子、-NRb1-、-CRb2Rb3-、または、-SiRb4Rb5-を表す。Rb1~Rb5は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
式(J-5)中、Rg10~Rg12は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Rg10およびRg11は、互いに結合して環を形成してもよい。Chは、=CRa7Ra8、酸素原子、硫黄原子、セレン原子、または、テルル原子を表す。Ra7およびRa8は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Ra7およびRa8は、互いに結合して環を形成してもよい。 - 前記式(1)で表される化合物が、前記式(2)または前記式(2b)で表される化合物であり、
前記式(2)または、前記式(2b)で表される化合物中、前記式(B-1-1)で表される基が前記式(J-1)で表される基、または、前記式(J-2)で表される基である、請求項3に記載の光電変換素子。 - 前記式(1)で表される化合物が、前記式(2b)で表される化合物であり、
前記式(2b)で表される化合物中、前記式(B-1-1)で表される基が前記式(J-1)で表される基であり、かつ、Rc1が前記式(4A)で表される基、アルキル基を有してもよいナフチル基またはアルキル基を有してもよいフルオレニル基を表す、請求項6に記載の光電変換素子。 - 前記式(1)で表される化合物が、式(2b-1)で表される化合物、または、式(2b-2)で表される化合物である、請求項5~7のいずれか1項に記載の光電変換素子。
Rc3、R2、R3、および、R11~R16に含まれる炭素数の合計は5以上である。
ただし、式(2b-1)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。
Rc3、R2、R3、および、R17~R24に含まれる炭素数の合計は5以上である。
ただし、式(2b-2)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。 - 前記光電変換膜が、さらにn型有機半導体を含み、
前記光電変換膜が、前記式(1)で表される化合物と前記n型有機半導体とが混合された状態で形成されるバルクへテロ構造を有する、請求項1~9のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 前記n型有機半導体が、フラーレン及びその誘導体からなる群より選択されるフラーレン類を含む、請求項10に記載の光電変換素子。
- 前記導電性膜と前記透明導電性膜との間に、前記光電変換膜の他に1種以上の中間層を有する、請求項1~11のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 請求項1~12のいずれか1項に記載の光電変換素子を有する、撮像素子。
- さらに、前記光電変換素子が受光する光とは異なる波長の光を受光する他の光電変換素子を有する、請求項13に記載の撮像素子。
- 前記光電変換素子と、前記他の光電変換素子とが積層されており、
入射光の内の少なくとも一部が前記光電変換素子を透過した後に、前記他の光電変換素子で受光される、請求項14に記載の撮像素子。 - 前記光電変換素子が緑色光電変換素子であり、
前記他の光電変換素子が、青色光電変換素子および赤色光電変換素子を含む、請求項14または15に記載の撮像素子。 - 請求項1~12のいずれか1項に記載の光電変換素子を有する、光センサ。
- 式(1)で表される、化合物。
式(R-4)中、Ra12は、アリール基またはヘテロアリール基を表す。*は、結合位置を表す。
Aは、ベンゼン環、ナフタレン環、フルオレン環、フェナントレン環、キノリン環またはベンゾチオフェン環を表す。
R2およびR3は、それぞれ独立に、アルキル基またはアリール基を表す。R2およびR3は、互いに結合して環を形成してもよい。R4は、ハロゲン原子、アルコキシ基、アルキル基またはアリール基を表す。R5およびR6は、それぞれ独立に、水素原子を表す。nは0~18の整数を表す。nが2以上の場合、複数のR4は互いに結合してフルオレン環を形成してもよい。
Aがベンゼン環の場合、nは1以上であり、R4の少なくとも1つはアルコキシ基、アルキル基またはアリール基を表す。
R1~R4に含まれる炭素数の合計は5以上である。
R1がハロゲン原子若しくはアルキル基を有していてもよいアリール基、ハロゲン原子若しくはアルキル基を有していてもよいヘテロアリール基、前記式(R-2)で表される基、または、前記式(R-4)で表される基を表す場合、B1は式(B-1-1)で表される基、または、(B-1-2)で表される基を表す。
式(B-1-2)中、Rb21及びRb22は、それぞれ独立に、シアノ基、または、-COORb23を表す。Rb23は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアリール基、または、置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。
ただし、式(1)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。 - 式(2)で表される化合物、または、式(2b)で表される化合物である、請求項18に記載の化合物。
R2およびR3は、それぞれ独立に、アルキル基またはアリール基を表す。R2およびR3は、互いに結合して環を形成してもよい。R5およびR6は、それぞれ独立に、水素原子を表す。R7~R10は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルコキシ基、アルキル基またはアリール基を表す。R7~R10のうち少なくとも1つはアルコキシ基、アルキル基またはアリール基を表す。Rc1、R2、R3、および、R7~R10に含まれる炭素数の合計は5以上である。B2は、前記式(B-1-1)で表される基を表す。
ただし、式(2)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。
A2は、ナフタレン環、フルオレン環、フェナントレン環、キノリン環またはベンゾチオフェン環を表す。B2は、前記式(B-1-1)で表される基を表す。Rc1およびR2~R4に含まれる炭素数の合計は5以上である。nは0~18の整数を表す。nが2以上の場合、複数のR4は互いに結合してフルオレン環を形成してもよい。
ただし、式(2b)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。 - 式(2b-1)で表される化合物、または、式(2b-2)で表される化合物である、請求項20に記載の化合物。
Rc3、R2、R3、および、R11~R16に含まれる炭素数の合計は5以上である。
ただし、式(2b-1)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。
Rc3、R2、R3、および、R17~R24に含まれる炭素数の合計は5以上である。
ただし、式(2b-2)で表される化合物は、カルボキシ基、カルボキシ基の塩、リン酸基、リン酸基の塩、スルホン酸基、および、スルホン酸基の塩のいずれも有さない。
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