JP7250982B1 - 光検出素子の活性層形成用インク組成物、膜、及び光検出素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、以下を提供する。
[2] 前記p型半導体が、ドナー・アクセプター構造を有する高分子化合物である、[1]に記載の組成物。
[3] 前記p型半導体が、下記式(I)で表される構成単位及び下記式(II)で表される構成単位からなる群より選択される一種以上の構成単位を含む高分子化合物である、[1]又は[2]に記載の組成物。
Ar1及びAr2は、それぞれ独立して、置換基を有していてもよい3価の芳香族複素環基を表し、
Zは下記式(Z-1)~式(Z-7)のいずれか1つで表される基を表す。
水素原子、
ハロゲン原子、
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シクロアルキル基、
置換基を有していてもよいアルケニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルケニル基、
置換基を有していてもよいアルキニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルキニル基、
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アルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいアリールオキシ基、
置換基を有していてもよいアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいアリールチオ基、
置換基を有していてもよい1価の複素環基、
置換基を有していてもよい置換アミノ基、
置換基を有していてもよいイミン残基、
置換基を有していてもよいアミド基、
置換基を有していてもよい酸イミド基、
置換基を有していてもよい置換オキシカルボニル基、
シアノ基、
ニトロ基、
-C(=O)-Rcで表される基、又は
-SO2-Rdで表される基を表し、
Rc及びRdは、それぞれ独立して、
水素原子、
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シクロアルキル基、
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アルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいアリールオキシ基、又は
置換基を有していてもよい1価の複素環基を表す。
式(Z-1)~式(Z-7)中、Rが2つある場合、2つあるRは同一であっても異なっていてもよい。))
[4] 前記n型半導体が、フラーレン誘導体である、[1]~[3]のいずれか一項に記載の組成物。
[5] 前記n型半導体が、非フラーレン化合物である、[1]~[3]のいずれか一項に記載の組成物。
[6] 前記溶媒が、芳香族炭化水素溶媒を含む、[1]~[5]のいずれか一項に記載の組成物。
[7] 前記界面活性剤が、ノニオン性界面活性剤である、[1]~[6]のいずれか一項に記載の組成物。
[8] 前記界面活性剤が、ポリ(メタ)アクリレート構造を有する化合物である、[1]~[7]のいずれか一項に記載の組成物。
[9] 前記界面活性剤が、オルガノポリシロキサン構造を有する化合物である、[1]~[8]のいずれか一項に記載の組成物。
[10] 前記界面活性剤が、フッ素系界面活性剤である、[1]~[9]のいずれか一項に記載の組成物。
[11] p型半導体、n型半導体、及び界面活性剤を含む膜。
[12] 第1の電極と、[11]に記載の膜と、第2の電極とをこの順で含む、有機光電変換素子。
[13] [12]に記載の有機光電変換素子を含む、光検出素子。
本明細書において、「高分子化合物」とは、分子量分布を有し、ポリスチレン換算の数平均分子量が、1×103以上1×108以下である重合体を意味する。高分子化合物に含まれる構成単位は、合計100モル%である。
置換オキシカルボニル基は、炭素原子数が通常2~60であり、好ましくは炭素原子数が2~48である。
本発明の一実施形態に係る組成物は、p型半導体、n型半導体、界面活性剤、及び溶媒を含む。組成物は、p型半導体、n型半導体、界面活性剤、及び溶媒に加えて、必要に応じて任意の成分を含んでいてもよい。
界面活性剤は、添加により界面の性質を変化させる物質を意味する。界面活性剤は、通常、一つの分子中に親水基及び疎水基の両方を有する。
複数存在するRsf2は、それぞれ独立して、有機基を表す。複数のRsf2のうちの二つ以上が一緒になって、架橋基を形成してもよい。
Rsf2は、好ましくは、それぞれ独立して、アルキル基、シクロアルキル基、アルキルオキシアルキル基、ポリオキシアルキレン基を有する基、アリール基、アリールアルキル基、アリールオキシアルキル基を表し、これらの基は置換基(例えば、フッ素原子)を有していてもよい。
Rsf2により表されるアルキル基の好ましい具体例としては、アルキル基が有する水素原子の一部がフッ素原子により置換されているフッ素原子置換アルキル基(例、ジフルオロメチル基、2,2-ジフルオロエチル基、2,2,2-トリフルオロエチル基、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基、2,2,3,3,4,4-ヘキサフルオロブチル基、1,1-ジメチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピル基、1,1-ジメチル-2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル基、2-(パーフルオロプロピル)エチル基、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチル基、1,1-ジメチル-2,2,3,3,4,4-ヘキサフルオロブチル基、1,1-ジメチル-2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチル基、2-(パーフルオロブチル)エチル基、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6-デカフルオロヘキシル基、パーフルオロペンチルメチル基、1,1-ジメチル-2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチル基、1,1-ジメチル-2,2,3,3,4,4,5,5,5-ノナフルオロペンチル基、2-(パーフルオロペンチル)エチル基、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-ドデカフルオロヘプチル基、パーフルオロヘキシルメチル基、2-(パーフルオロヘキシル)エチル基、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8-テトラデカフルオロオクチル基、パーフルオロヘプチルメチル基、2-(パーフルオロヘプチル)エチル基、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9-ヘキサデカフルオロノニル基、パーフルオロオクチルメチル基、2-(パーフルオロオクチル)エチル基、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10-オクタデカフルオロデシル基、パーフルオロノニルメチル基、2,2,3,4,4,4-ヘキサフルオロブチル基、2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチル基、3,3,4,4,5,5,6,6,6-ノナフルオロヘキシル基、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-トリドデカフルオロオクチル基)、アルキル基が有する水素原子のすべてがフッ素原子により置換されているフッ素原子置換アルキル基(パーフルオロアルキル基)(例、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロ-n-プロピル基、ヘプタフルオロイソプロピル基、ノナフルオロ-n-ブチル基、ノナフルオロイソブチル基、ノナフルオロ-s-ブチル基、ノナフルオロ-t-ブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロヘプチル基、パーフルオロオクチル基、パーフルオロノニル基、パーフルオロデシル基)が挙げられる。
ポリ(メタ)アクリレート構造を有する市販のノニオン性界面活性剤の例としては、「F-556」、「R-40」、「メガファック F-110(MEGAFACE F-110)」、「メガファック F-113(MEGAFACE F-113)」、「メガファック F-120(MEGAFACE F-120)」、「メガファック F-812(MEGAFACE F-812)」、「メガファック F-142D(MEGAFACE F-142D)」、「メガファック F-144D(MEGAFACE F-144D)」、「メガファック F-150(MEGAFACE F-150)」、「メガファック F-171(MEGAFACE F-171)」、「メガファック F-173(MEGAFACE F-173)」、「メガファック F-177(MEGAFACE F-177)」、「メガファック F-183(MEGAFACE F-183)」、「メガファック F-195(MEGAFACE F-195)」、「メガファック F-824(MEGAFACE F-824)」、「メガファック F-833(MEGAFACE F-833)」、「メガファック F-114(MEGAFACE F-114)」、「メガファック F-410(MEGAFACE F-410)」、「メガファック F-493(MEGAFACE F-493)」、「メガファック F-494(MEGAFACE F-494)」、「メガファック F-443(MEGAFACE F-443)」、「メガファック F-444(MEGAFACE F-444)」、「メガファック F-445(MEGAFACE F-445)」、「メガファック F-446(MEGAFACE F-446)」、「メガファック F-470(MEGAFACE F-470)」、「メガファック F-471(MEGAFACE F-471)」、「メガファック F-474(MEGAFACE F-474)」、「メガファック F-475(MEGAFACE F-475)」、「メガファック F-477(MEGAFACE F-477)」、「メガファック F-478(MEGAFACE F-478)」、「メガファック F-479(MEGAFACE F-479)」、「メガファック F-480SF(MEGAFACE F-480SF)」、「メガファック F-482(MEGAFACE F-482)」、「メガファック F-483(MEGAFACE F-483)」、「メガファック F-484(MEGAFACE F-484)」、「メガファック F-486(MEGAFACE F-486)」、「メガファック F-487(MEGAFACE F-487)」、「メガファック F-489(MEGAFACE F-489)」、「メガファック F-172D(MEGAFACE F-172D)」、「メガファック F-178K(MEGAFACE F-178 K)」、「メガファック F-178RM(MEGAFACE F-178RM)」、「メガファック R-08(MEGAFACE R-08)」、「メガファック R-30(MEGAFACE R-30)」、「メガファック F-472SF(MEGAFACE F-472SF)」、「メガファック BL-20(MEGAFACE BL-20)」、「メガファック R-61(MEGAFACE R-61)」、「メガファック R-90(MEGAFACE R-90)」、「メガファック ESM-1(MEGAFACE ESM-1)」、「メガファック MCF-350SF(MEGAFACE MCF-350SF)」(以上、DIC社製)、
「フタージェント100」、「フタージェント100C」、「フタージェント110」、「フタージェント150」、「フタージェント150CH」、「フタージェントA」、「フタージェント100A-K」、「フタージェント501」、「フタージェント300」、「フタージェント310」、「フタージェント320」、「フタージェント400SW」、「FTX-400P」、「フタージェント251」、「フタージェント215M」、「フタージェント212MH」、「フタージェント250」、「フタージェント222F」、「フタージェント212D」、「FTX-218」、「FTX-209F」、「FTX-213F」、「FTX-233F」、「フタージェント245F」、「FTX-208G」、「FTX-240G」、「FTX-206D」、「FTX-220D」、「FTX-230D」、「FTX-240D」、「FTX-207S」、「FTX-211S」、「FTX-220S」、「FTX-230S」、「FTX-750FM」、「FTX-730FM」、「FTX-730FL」、「FTX-710FS」、「FTX-710FM」、「FTX-710FL」、「FTX-750LL」、「FTX-730LS」、「FTX-730LM」、「FTX-730LL」、「FTX-710LL」(以上、ネオス社製)、
「BYK-300」、「BYK-302」、「BYK-306」、「BYK-307」、「BYK-310」、「BYK-315」、「BYK-320」、「BYK-322」、「BYK-323」、「BYK-325」、「BYK-330」、「BYK-331」、「BYK-333」、「BYK-337」、「BYK-340」、「BYK-344」、「BYK-370」、「BYK-375」、「BYK-377」、「BYK-350」、「BYK-352」、「BYK-354」、「BYK-355」、「BYK-356」、「BYK-358N」、「BYK-361N」、「BYK-357」、「BYK-390」、「BYK-392」、「BYK-UV3500」、「BYK-UV3510」、「BYK-UV3570」、「BYK-Silclean 3700」(以上、ビックケミー・ジャパン社製)、
「TEGO Rad2100」、「TEGO Rad2200 N」、「TEGO Rad2250」、「TEGO Rad2300」、「TEGO Rad2500」、「TEGO Rad2600」、「TEGO Rad2700」(以上、エボニック・インダストリーズ社製)が挙げられる。
Rsf3は、好ましくは、それぞれ独立して、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アリールアルキル基、ポリオキシアルキレン基を有する基、又は-(C=O)-O-で表される構造を有する基(例えば、-(C=O)-O-で表される構造を1以上、2以上、又は3以上有する基)を表し、これらの基は、置換基を有していてもよい。
オルガノポリシロキサン構造を有する界面活性剤が有しうる末端基の例としては、アルキル基、シクロアルキル基、アルキルオキシ基、シクロアルキルオキシ基、ポリオキシアルキレン基を有する基、アリール基、アリールアルキル基、及びポリ(メタ)アクリロイル基が挙げられ、これらの基は置換基(例、フッ素原子)を有していてもよい。
オルガノポリシロキサン構造を有する市販のノニオン性界面活性剤の例としては、
商品名「BYK-300」、「BYK-301/302」、「BYK-306」、「BYK-307」、「BYK-310」、「BYK-315」、「BYK-313」、「BYK-320」、「BYK-322」、「BYK-323」、「BYK-325」、「BYK-330」、「BYK-331」、「BYK-333」、「BYK-337」、「BYK-341」、「BYK-344」、「BYK-345/346」、「BYK-347」、「BYK-348」、「BYK-349」、「BYK-370」、「BYK-375」、「BYK-377」、「BYK-378」、「BYK-UV3500」、「BYK-UV3510」、「BYK-UV3570」、「BYK-3550」、「BYK-SILCLEAN3700」、「BYK-SILCLEAN3720」(以上、ビックケミー・ジャパン社製)、
商品名「AC FS 180」、「AC FS 360」、「AC S 20」(以上、Algin Chemie製)、商品名「ポリフローKL-400X」、「ポリフローKL-400HF」、「ポリフローKL-401」、「ポリフローKL-402」、「ポリフローKL-403」、「ポリフローKL-404」、「ポリフローKL-700」(以上、共栄社化学社製)、
商品名「KP-301」、「KP-306」、「KP-109」、「KP-310」、「KP-310B」、「KP-323」、「KP-326」、「KP-341」、「KP-104」、「KP-110」、「KP-112」、「KP-360A」、「KP-361」、「KP-354」、「KP-355」、「KP-356」、「KP-357」、「KP-358」、「KP-359」、「KP-362」、「KP-365」、「KP-366」、「KP-368」、「KP-369」、「KP-330」、「KP-620」、「KP-625」「KP-650」、「KP-651」、「KP-390」、「KP-391」、「KP-392」(以上、信越化学工業社製)、
商品名「LP-7001」、「LP-7002」、「SH28PA」、「8032 ADDITIVE」、「57 ADDITIVE」、「L-7604」、「FZ-2110」、「FZ-2105」、「67 ADDITIVE」、「8618 ADDITIVE」、「3 ADDITIVE」、「56 ADDITIVE」(以上、東レ・ダウコーニング社製)、「TEGO WET 270」(エボニック・デグサ・ジャパン社製)、「NBX-15」(ネオス社製)が挙げられる。
市販のフッ素系界面活性剤の例としては、「F-556」、「R-40」、メガファックF171、同F172、同F173、同F176、同F177、同F141、同F142、同F143、同F144、同R30、同F437、同F475、同F479、同F482、同F554、同F780、RS-72-K(以上、DIC社製)、
フロラードFC430、同FC431、同FC171、ノベックFC4430、同FC4432(以上、スリーエムジャパン社製)、
サーフロンS-382、同SC-101、同SC-103、同SC-104、同SC-105、同SC-1068、同SC-381、同SC-383、同S-393、同KH-40(以上、旭硝子社製)、
PF636、PF656、PF6320、PF6520、PF7002(以上、OMNOVA社製)が挙げられる。
界面活性剤は、25℃、1atmにおいて、液体であることが好ましい。界面活性剤が25℃、1atmにおいて液体であることにより、組成物中における溶解性が良好となる。
界面活性剤の粘度ηは、好ましくは1mPa・s以上、より好ましくは10mPa・s以上、更に好ましくは100mPa・s以上であり、好ましくは10,000mPa・s以下、より好ましくは5,000mPa・s以下である。界面活性剤の粘度ηが、前記範囲内にある場合、光電変換素子の暗電流を効果的に低減しうる。
界面活性剤のピーク分子量Mpは、好ましくは100以上、より好ましくは1000以上であり、好ましくは10,000以下、より好ましくは5,000以下である。界面活性剤のピーク分子量Mpが、前記範囲内にある場合、光電変換素子の暗電流を効果的に低減しうる。
界面活性剤が、フッ素系界面活性剤である場合、界面活性剤のフッ素含有量は、好ましくはフッ素系界面活性剤中の溶媒を除く固形分を100質量%として、好ましくは1質量%以上、より好ましくは5質量%以上であり、好ましくは50質量%以下、より好ましくは30質量%以下である。界面活性剤のフッ素含有率が前記範囲内にある場合、光電変換素子の暗電流を効果的に低減しうる。界面活性剤のフッ素含有率が、前記上限値以下である場合、組成物から得られる膜(活性膜)の撥水性が低下して、膜上に水系塗布液を容易に塗布しうる。
組成物中の界面活性剤の含有割合は、溶媒の総質量を100質量%として、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上であり、好ましくは1.0質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下である。
本実施形態の組成物に含まれるp型半導体は、一種単独であっても、二種以上の組み合わせであってもよい。
p型半導体は、ドナー・アクセプター構造を有する高分子化合物であることが好ましい。ドナー・アクセプター構造は、ドナー構成単位とアクセプター構成単位とを含む。ドナー構成単位は、π電子が過剰である構成単位であり、アクセプター構成単位は、π電子が欠乏している構成単位である。
水素原子、
ハロゲン原子、
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シクロアルキル基、
置換基を有していてもよいアルケニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルケニル基、
置換基を有していてもよいアルキニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルキニル基、
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アルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいアリールオキシ基、
置換基を有していてもよいアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいアリールチオ基、
置換基を有していてもよい1価の複素環基、
置換基を有していてもよい置換アミノ基、
置換基を有していてもよいイミン残基、
置換基を有していてもよいアミド基、
置換基を有していてもよい酸イミド基、
置換基を有していてもよい置換オキシカルボニル基、
シアノ基、
ニトロ基、
-C(=O)-Rcで表される基、又は
-SO2-Rdで表される基を表し、
Rc及びRdは、それぞれ独立して、
水素原子、
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シクロアルキル基、
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アルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいアリールオキシ基、又は
置換基を有していてもよい1価の複素環基を表す。
式(Z-1)~式(Z-7)中、Rが2つある場合、2つあるRは同一であっても異なっていてもよい。Zは、好ましくは式(Z-4)又は式(Z-5)で表される基である。
組成物におけるp型半導体の含有量は、必要とされる機能層(活性層)の厚さ、所望の特性等に応じて、任意好適な含有量とすることができる。
例えば、組成物におけるp型半導体の含有量は、組成物を100質量%として、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下である。
本実施形態の組成物に含まれるn型半導体は、一種単独であっても、二種以上の組み合わせであってもよい。
一実施形態において、組成物に含まれるn型半導体としては、フラーレン及びフラーレン誘導体から選ばれる1種以上が好ましく、フラーレン誘導体がより好ましい。
Raは、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、1価の複素環基、又はエステル構造を有する基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。複数あるRaは、互いに同一であっても異なっていてもよい。
Rbは、アルキル基、シクロアルキル基、又はアリール基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。複数あるRbは、互いに同一であっても異なっていてもよい。
別の実施形態において、組成物に含まれるn型半導体は、非フラーレン化合物であることが好ましい。非フラーレン化合物としては、多種の化合物が公知であり、従来公知の任意好適な非フラーレン化合物を本実施形態においてn型半導体として用いることができる。
A1-B10-A2 (VI)
A1及びA2は、それぞれ独立に、電子求引性の基を表し、B10は、π共役系を含む基を表す。
Tは、置換基を有していてもよい炭素環、又は置換基を有していてもよい複素環を表す。炭素環及び複素環は、単環であってもよく、縮合環であってもよい。これらの環が置換基を複数有する場合、複数ある置換基は、同一であっても異なっていてもよい。
A1-(S1)n1-B11-(S2)n2-A2 (VII)
2価の複素環基の例としては、2価の芳香族複素環基が挙げられる。
2価の芳香族炭素環基又は2価の芳香族複素環基が縮合環である場合、縮合環を構成する環の全部が芳香族性を有する縮合環であってもよく、一部のみが芳香族性を有する縮合環であってもよい。
X3は、酸素原子又は硫黄原子を表す。
Ra10は、前記定義のとおりである。
Ra10は、前記定義のとおりである。
式(b-1)~式(b-14)中、複数あるRa10は、それぞれ独立して、好ましくは置換基を有していてもよいアルキル基、又は置換基を有していてもよいアリール基である。
上記式中、Rは、好ましくは水素原子、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又は置換基を有していてもよいアルキルオキシ基である。
組成物におけるn型半導体の含有量は、必要とされる機能層(活性層)の厚さ、所望の特性等に応じて、任意好適な含有量とすることができる。
例えば、組成物におけるn型半導体の含有量は、組成物を100質量%として、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下である。
組成物中のp型半導体のn型半導体に対する質量比(p型半導体/n型半導体)は、好ましくは1/9以上であり、より好ましくは1/5以上であり、更に好ましくは1/3以上であり、好ましくは9/1以下であり、より好ましくは5/1以下であり、更に好ましくは3/1以下である。ここで、当該質量比は、組成物がp型半導体を複数種含む場合は、p型半導体の総質量についての比であり、組成物がn型半導体を複数種含む場合は、n型半導体の総質量についての比である。
本実施形態の組成物に含まれる溶媒は、一種単独でもよく、二種以上の組み合わせであってもよい。
本実施形態に係る組成物は、前記のp型半導体、n型半導体、界面活性剤、及び溶媒に加えて、本発明の目的及び効果を損なわない限度において、任意の成分を含んでいてもよい。任意の成分の例としては、紫外線吸収剤、酸化防止剤、吸収した光により電荷を発生させる機能を増感するための増感剤、及び紫外線からの安定性を増すための光安定剤が挙げられる。
組成物中、p型半導体及びn型半導体は溶解していても分散していてもよい。組成物中、p型半導体及びn型半導体は、少なくとも一部が溶解していることが好ましい。
組成物は、従来公知の方法により製造することができる。溶媒と、p型半導体、n型半導体、及び界面活性剤とを、溶媒の沸点以下の温度まで加温して混合してもよい。
組成物は、塗布法によりp型半導体、n型半導体、及び界面活性剤を含む膜を形成するためのインクとして好適に用いられ得る。
本発明の一実施形態に係る膜は、p型半導体、n型半導体、及び界面活性剤を含む。当該膜は、光電変換素子に含まれる活性層として好適に用いられうる。
例えば、膜におけるp型半導体の含有量は、好ましくは1質量%以上、より好ましくは10質量%以上、更に好ましくは20質量%以上であり、好ましくは99質量%以下、より好ましくは90質量%以下、更に好ましくは80質量%以下である。
例えば、膜におけるn型半導体の含有量は、好ましくは1質量%以上、より好ましくは10質量%以上、更に好ましくは20質量%以上であり、好ましくは99質量%以下、より好ましくは90質量%以下、更に好ましくは80質量%以下である。
本実施形態の膜における、溶媒の含有量は、好ましくは1質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下であり、通常0質量%以上であり、0質量%であってもよい。
工程(i)において、組成物を塗布対象に塗布する方法としては、既に説明した従来公知の任意の塗布法を用いることができる。
工程(ii)において、工程(i)により形成された組成物の塗膜から、溶媒を除去する方法としては、任意好適な方法を用いることができる。溶媒を除去する方法の例としては、熱風乾燥法、赤外線加熱乾燥法、フラッシュランプアニール乾燥法、減圧乾燥法などの乾燥法が挙げられる。
[4.1.光電変換素子の構成]
本実施形態にかかる光電変換素子は、第1電極と、第2の電極と、該第1電極及び第2の電極の間に設けられている活性層とを含み、該活性層が既に説明した膜である。
以下、図面を参照して本実施形態の光電変換素子の構成例について具体的に説明する。
光電変換素子は、通常、基板(支持基板)上に形成される。また、さらに基板(封止基板)により封止される場合もある。基板には、通常、第1の電極及び第2の電極からなる一対の電極のうちの一方が形成される。基板の材料は、特に有機化合物を含む層を形成する際に化学的に変化しない材料であれば特に限定されない。
光電変換素子は、一対の電極である第1の電極及び第2の電極を含んでいる。第1の電極及び第2の電極のうち、少なくとも一方の電極は、光を入射させるために、透明又は半透明の電極とすることが好ましい。
本実施形態の光電変換素子は、活性層として、既に説明した膜を含む。本実施形態の活性層は、バルクヘテロジャンクション型の構造を有している。
図1に示されるとおり、本実施形態の光電変換素子は、光電変換効率などの特性を向上させるための構成要素として、例えば、電荷輸送層(電子輸送層、正孔輸送層、電子注入層、正孔注入層)などの中間層(バッファー層)を備えていることが好ましい。
本実施形態の光電変換素子は、封止部材をさらに含み、かかる封止部材により封止された封止体とすることが好ましい。
封止部材は任意好適な従来公知の部材を用いることができる。封止部材の例としては、基板(封止基板)であるガラス基板とUV硬化性樹脂などの封止材(接着剤)との組合せが挙げられる。
本実施形態の光電変換素子は、従来公知の任意好適な製造方法により製造しうる。本実施形態の光電変換素子は、構成要素を形成するにあたり選択された材料に好適な工程を組み合わせて製造しうる。
本工程では、例えば第1の電極が設けられた支持基板を用意する。また、既に説明した電極の材料により形成された導電性の薄膜が設けられた基板を市場より入手し、必要に応じて、導電性の薄膜をパターニングして第1の電極を形成することにより、第1の電極が設けられた支持基板を用意することができる。
光電変換素子の製造方法は、活性層と第1の電極との間に設けられる正孔輸送層(正孔注入層)を形成する工程を含んでいてもよい。
本実施形態の光電変換素子の製造方法においては、正孔輸送層上に活性層が形成される。活性層は、任意好適な従来公知の形成工程により形成することができる。本実施形態において、活性層は、既に説明した組成物を用いる塗布法により製造することができる。
本実施形態の光電変換素子の製造方法は、活性層に接するように設けられた電子輸送層(電子注入層)を形成する工程を含みうる。
第2の電極の形成方法は特に限定されない。第2の電極は、例えば、上記例示の電極の材料を、塗布法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、めっき法など従来公知の任意好適な方法によって形成することができる。以上の工程により、本実施形態の光電変換素子が製造される。
封止体の形成にあたり、本実施形態では、従来公知の任意好適な封止材(接着剤)及び基板(封止基板)を用いる。具体的には、製造された光電変換素子の周辺を囲むように、支持基板上に、例えばUV硬化性樹脂などの封止材を塗布した後、封止材により隙間なく貼り合わせた後、選択された封止材に好適な、UV光の照射などの方法を用いて支持基板と封止基板との間隙に光電変換素子を封止することにより、光電変換素子の封止体を得ることができる。
本実施形態の光電変換素子の用途としては、光検出素子、太陽電池が挙げられる。本実施形態の光電変換素子は、光が照射されることにより、電極間に光起電力を発生させることができ、太陽電池として動作させることができる。光電変換素子を複数集積することにより太陽電池モジュールとすることもできる。
前記のとおり、本実施形態の光電変換素子は、照射された光を、受光量に応じた電気信号に変換し、電極を介して外部回路に出力しうる光検出機能を有しうる。よって、本発明の実施形態にかかる光電変換素子は、光検出機能を有する光検出素子として特に好適に適用されうる。ここで、本実施形態の光検出素子は、光電変換素子そのものであってもよく、光電変換素子に加えて、電圧制御のためなどの機能素子をさらに含んでいてもよい。
(p型半導体)
p型半導体材料P-1として、国際公開第2013/051676号に記載の方法を参考に合成された高分子化合物を使用した。
p型半導体材料P-2として、国際公開第2011/052709号に記載の方法を参考に合成された高分子化合物を使用した。
p型半導体材料P-3として、高分子化合物である、1-material社製、商品名:PM6を使用した。
p型半導体材料P-4として、高分子化合物である、1-material社製、商品名:PCE10を使用した。
n型半導体材料N-1として、ハーベス社製、商品名:Guard Surf NC-1010を使用した。
n型半導体材料N-2として、フロンティアカーボン社製、商品名:E100を使用した。
n型半導体材料N-3として、1-material社製、商品名:Y6を使用した。
実施例において使用される界面活性剤は、下記のとおりである。
「F-556」:DIC社製、ノニオン性、ポリ(メタ)アクリレート構造を有するフッ素系界面活性剤。
「R-40」:DIC社製、ノニオン性、ポリ(メタ)アクリレート構造を有するフッ素系界面活性剤。
「KP-620」:信越化学工業社製、ノニオン性、オルガノポリシロキサン構造を有する界面活性剤。
「KP-323」:信越化学工業社製、ノニオン性、オルガノポリシロキサン構造を有する界面活性剤。
アントンパール社製モジュラーコンパクトレオメータMCR302を用いて、温度25℃、せん断速度100(S-1)の粘度ηを測定した。
GPCの移動相としてはo-ジクロロベンゼンを用い、1.0mL/minの流速で流した。カラムとしては、昭和電工社製、Shodex KD-806Mを用い、ガードカラムとしては、昭和電工社製、Shodex KD-Gを用いた。
プソイドクメン、テトラリン、及び安息香酸ブチルを、それぞれ質量比87%、10%、及び3%となるように混合し、インク溶媒を調製した。界面活性剤として、DIC社製「F-556」を用いた。インク溶媒と界面活性剤とを、質量比が99.9%:0.1%となるように混合し、混合物(a)を得た。
混合物(a)に対し、p型半導体として材料P-1及びn型半導体として材料N-1を混合して、混合物(b)を得た。p型半導体の混合量は、インク組成物(混合物(b))全体に対して1.5質量%となる量とした。n型半導体の混合量は、インク組成物(混合物(b))全体の質量に対して1.5質量%となる量とした。得られた混合物(b)を60℃で6時間撹拌し、次いでフィルターにてろ過を行うことにより、インク組成物I-1を得た。インク組成物I-1に含まれる、溶媒、p型半導体、n型半導体、及び界面活性剤の合計を100質量%とした場合、界面活性剤の含有割合は、0.097質量%である。
インク溶媒と界面活性剤とを、質量比が99.0%:1.0%となるように混合して、混合物(a)を得た。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-2を得た。インク組成物I-2に含まれる、溶媒、p型半導体、n型半導体、及び界面活性剤の合計を100質量%とした場合、界面活性剤の含有割合は、0.97質量%である。
界面活性剤として、信越化学工業社製「KP-620」を用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-3を得た。
混合物(a)の代わりに、界面活性剤の含まれていないインク溶媒を用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-C1を得た。
プソイドクメン、及び1,2-ジメトキシベンゼンを、それぞれ質量比97%、3%となるように混合し、インク溶媒を調製した。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-4を得た。
混合物(a)の代わりに、界面活性剤の含まれていないインク溶媒を用いた。
以上の事項以外は、実施例4と同様に操作して、インク組成物I-C2を得た。
p型半導体として、材料P-2を用い、n型半導体として、材料N-2を用いた。
界面活性剤として、DIC社製「R-40」を用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-5を得た。
p型半導体として、材料P-2を用い、n型半導体として、材料N-2を用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-6を得た。
混合物(a)の代わりに、界面活性剤の含まれていないインク溶媒を用いた。
以上の事項以外は、実施例5と同様に操作して、インク組成物I-C3を得た。
p型半導体として、材料P-3を用い、n型半導体として、材料N-2を用いた。
インク溶媒として、o-ジクロロベンゼンを用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-7を得た。
混合物(a)の代わりに、界面活性剤の含まれていないインク溶媒を用いた。
以上の事項以外は、実施例7と同様に操作して、インク組成物I-C4を得た。
p型半導体として、材料P-4を用い、n型半導体として、材料N-2を用いた。
インク溶媒として、o-ジクロロベンゼンを用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-8を得た。
混合物(a)の代わりに、界面活性剤の含まれていないインク溶媒を用いた。
以上の事項以外は、実施例8と同様に操作して、インク組成物I-C5を得た。
p型半導体として、材料P-1を用い、n型半導体として、材料N-2を用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-9を得た。
混合物(a)の代わりに、界面活性剤の含まれていないインク溶媒を用いた。
以上の事項以外は、実施例9と同様に操作して、インク組成物I-C6を得た。
p型半導体として、材料P-1を用い、n型半導体として、材料N-3を用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-10を得た。
混合物(a)の代わりに、界面活性剤の含まれていないインク溶媒を用いた。
以上の事項以外は、実施例10と同様に操作して、インク組成物I-C7を得た。
p型半導体として、材料P-3を用い、n型半導体として、材料N-3を用いた。
以上の事項以外は、実施例1と同様に操作して、インク組成物I-11を得た。
混合物(a)の代わりに、界面活性剤の含まれていないインク溶媒を用いた。
以上の事項以外は、実施例11と同様に操作して、インク組成物I-C8を得た。
下表において、界面活性剤の添加量は、混合物(b)を100質量%とした値を示す。
実施例及び比較例で製造した各インク組成物を用いて、下記の光電変換素子の製造方法A又は製造方法Bに従って光電変換素子を製造し、暗電流(Jd)を測定した。
(A-1.基板の用意)
スパッタ法により100nmの厚さで第1の電極としてのITO膜が形成されたガラス基板(以下、単にガラス基板という。)を用意した。次いで、当該ガラス基板に対してオゾン紫外線(UV)処理による表面処理を行った。
インク組成物を、ガラス基板のITO膜上に、スピンコート法により塗布して、塗膜を形成した。塗膜が形成されたガラス基板をホットプレート上に載せ、大気中において70℃で2分間の条件で塗膜を乾燥させた。続いて、塗膜が形成されたガラス基板をホットプレート上に載せ、窒素ガス雰囲気下において、100℃で10分間の条件で塗膜を更に乾燥させた。これにより、ITO膜上に、活性層が形成された。形成された活性層の厚さは、約250nmであった。
次いで、酸化亜鉛ナノ粒子(粒径20~30nm)の45質量%イソプロパノール分散液(テイカ社製、HTD-711Z)を、当該イソプロパノール分散液の10倍質量部の3-ペンタノールで希釈し、塗布液を調製した。この塗布液を、スピンコート法により形成された活性層上に、40nmの厚さで塗布し、70℃で5分間の加熱処理を施した。これにより、活性層上に電子輸送層が形成された。
その後、抵抗加熱蒸着装置を用いて、電子輸送層上に、電極(第2の電極)であるAg膜を約80nmの厚さで形成した。
次いで、紫外線(UV)硬化性封止剤を、電極(第2の電極)が形成されたガラス基板の周囲に塗布し、さらにガラス板を電極の上方に貼り合わせた後、UV光を照射することで封止剤を硬化させて封止し、光電変換素子を得た。得られた光電変換素子の形状は2mm×2mmの正方形であった。
(B-1.基板の用意)
スパッタ法により100nmの厚さでITO膜が形成されたガラス基板を用意した。次いで、当該ガラス基板に対してオゾンUV処理による表面処理を行った。
次に、ガラス基板を、ポリエチレンイミン80%エトキシ化水溶液(シグマアルドリッチ社製、37質量%水溶液)を、濃度が0.1質量%となるように水で希釈して得られた希釈溶液に、5分間浸漬した。次いで、希釈溶液からガラス基板を引き上げた後にホットプレート上に載せ、大気中において100℃で10分間の条件で乾燥させた。
次に、インク組成物を、ITO膜上に形成された電子輸送層上に、スロットダイコート法により塗布して塗膜を形成した。次いで、真空乾燥処理(圧力10Pa、70℃)を5分間行った。乾燥処理された塗膜が形成されたガラス基板をホットプレート上に載せ、100℃で12分間の条件で乾燥させることにより活性層を形成した。形成された活性層の厚さは、約530nmであった。
次いで、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)/ポリスチレンスルホン酸を水に溶解させた懸濁液(ヘレウス社製、Clevios F HC Solar)を、形成された活性層上に、スピンコート法により塗布して塗膜を形成した。塗膜が活性層上に形成されたガラス基板をオーブンに入れ、85℃で30分間の条件で乾燥させることにより第2の電極を形成した。形成された第2の電極の厚さは、約120nmであった。
次いで、紫外線(UV)硬化性封止剤を、電極(第2の電極)が形成されたガラス基板の周囲に塗布し、さらにガラス板を電極の上方に貼り合わせた後、UV光を照射することで封止剤を硬化させて封止し、光電変換素子を得た。得られた光電変換素子の形状は2mm×2mmの正方形であった。
前記の製造方法A又は製造方法Bにより製造された光電変換素子に、暗所においてJV測定を行い、-5Vにおける暗電流(Jd)を求めた。JV測定にはソースメータ―(2450型、ケースレー社製)を用いた。
評価結果を下表に示す。
下表において、評価1~4の暗電流(Jd)相対値は、評価1の暗電流を100とした場合の相対値である。評価5~6のJd相対値は、評価5の暗電流を100とした場合の相対値である。評価7~9のJd相対値は、評価7の暗電流を100とした場合の相対値である。評価10~11、評価12~13、評価14~15、評価16~17、評価18~19のJd相対値は、それぞれ評価10、評価12、評価14、評価16、評価18の暗電流を100とした場合の相対値である。
下表において、「素子A」は、製造方法Aにより製造された光電変換素子Aを表し、「素子B」は、製造方法Bにより製造された光電変換素子Bを表す。
また界面活性剤を含む組成物から製造された活性層を備える光電変換素子は、光電変換素子A及び光電変換素子Bのいずれの構造を有していても、暗電流が低下することが分かる。
11 支持基板
12 第1の電極
13 第1の中間層
14 活性層
15 第2の中間層
16 第2の電極
17 封止部材
Claims (13)
- 光検出素子の活性層形成用インク組成物であって、
p型半導体、n型半導体、界面活性剤、及び溶媒を含み、
前記界面活性剤が、ノニオン性界面活性剤、ポリ(メタ)アクリレート構造を有する化合物、オルガノポリシロキサン構造を有する化合物及びフッ素系界面活性剤からなる群より選ばれるいずれかを含み、
前記インク組成物における前記界面活性剤の含有量が、前記p型半導体、前記n型半導体、及び前記界面活性剤の総質量を100質量%として、0.1質量%以上であり、{0.97/(1.5+1.5+0.97)×100}質量%以下である、光検出素子の活性層形成用インク組成物。 - 光検出素子の活性層形成用インク組成物であって、
p型半導体、n型半導体、界面活性剤、及び溶媒を含み、
前記界面活性剤が、ノニオン性界面活性剤、ポリ(メタ)アクリレート構造を有する化合物、オルガノポリシロキサン構造を有する化合物及びフッ素系界面活性剤からなる群より選ばれるいずれかを含み、
前記インク組成物における前記界面活性剤の含有量が、溶媒の総質量を100質量%として、0.01質量%以上1.0質量%以下である、光検出素子の活性層形成用インク組成物。 - 光検出素子の活性層形成用インク組成物であって、
p型半導体、n型半導体、界面活性剤、及び溶媒を含み、
前記界面活性剤が、ノニオン性界面活性剤、ポリ(メタ)アクリレート構造を有する化合物、オルガノポリシロキサン構造を有する化合物及びフッ素系界面活性剤からなる群より選ばれるいずれかを含み、
前記インク組成物における前記界面活性剤の含有量が、前記p型半導体、前記n型半導体、及び前記界面活性剤の総質量を100質量%として、0.1質量%以上10質量%以下である、光検出素子の活性層形成用インク組成物。 - 前記p型半導体が、ドナー・アクセプター構造を有する高分子化合物である、請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出素子の活性層形成用インク組成物。
- 前記p型半導体が、下記式(I)で表される構成単位及び下記式(II)で表される構成単位からなる群より選択される一種以上の構成単位を含む高分子化合物である、請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出素子の活性層形成用インク組成物。
Ar1及びAr2は、それぞれ独立して、置換基を有していてもよい3価の芳香族複素環基を表し、
Zは下記式(Z-1)~式(Z-7)のいずれか1つで表される基を表す。
水素原子、
ハロゲン原子、
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シクロアルキル基、
置換基を有していてもよいアルケニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルケニル基、
置換基を有していてもよいアルキニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルキニル基、
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アルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいアリールオキシ基、
置換基を有していてもよいアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいアリールチオ基、
置換基を有していてもよい1価の複素環基、
置換基を有していてもよい置換アミノ基、
置換基を有していてもよいイミン残基、
置換基を有していてもよいアミド基、
置換基を有していてもよい酸イミド基、
置換基を有していてもよい置換オキシカルボニル基、
シアノ基、
ニトロ基、
-C(=O)-Rcで表される基、又は
-SO2-Rdで表される基を表し、
Rc及びRdは、それぞれ独立して、
水素原子、
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シクロアルキル基、
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アルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいアリールオキシ基、又は
置換基を有していてもよい1価の複素環基を表す。
式(Z-1)~式(Z-7)中、Rが2つある場合、2つあるRは同一であっても異なっていてもよい。))
- 前記n型半導体が、フラーレン誘導体である、請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出素子の活性層形成用インク組成物。
- 前記n型半導体が、非フラーレン化合物である、請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出素子の活性層形成用インク組成物。
- 前記溶媒が、芳香族炭化水素溶媒を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出素子の活性層形成用インク組成物。
- 光検出素子に含まれる有機光電変換素子に含まれる、膜であって、
前記膜が、
p型半導体、n型半導体、及び界面活性剤を含み、
前記界面活性剤が、ノニオン性界面活性剤、ポリ(メタ)アクリレート構造を有する化合物、オルガノポリシロキサン構造を有する化合物及びフッ素系界面活性剤からなる群より選ばれるいずれかを含み、
前記膜における前記界面活性剤の含有量が、前記p型半導体、前記n型半導体、及び前記界面活性剤の総質量を100質量%として、0.1質量%以上{0.97/(1.5+1.5+0.97)×100}質量%以下である、膜。 - 光検出素子に含まれる有機光電変換素子に含まれる、膜であって、
前記膜が、
p型半導体、n型半導体、及び界面活性剤を含み、
前記界面活性剤が、ノニオン性界面活性剤、ポリ(メタ)アクリレート構造を有する化合物、オルガノポリシロキサン構造を有する化合物及びフッ素系界面活性剤からなる群より選ばれるいずれかを含み、
前記膜における前記界面活性剤の含有量が、前記p型半導体、前記n型半導体、及び前記界面活性剤の総質量を100質量%として、0.1質量%以上10質量%以下である、膜。 - 第1の電極と、請求項9又は10に記載の膜と、第2の電極とをこの順で含む有機光電変換素子を含む、光検出素子。
- p型半導体、n型半導体、及び界面活性剤を含み、請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出素子の活性層形成用インク組成物から形成された膜。
- 第1の電極と、請求項12に記載の膜と、第2の電極とをこの順で含む有機光電変換素子を含む、光検出素子。
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