JP7279998B2 - 非フラーレン及び/又はホールスカベンジャーに基づく活性層並びにオプトエレクトロニクスデバイス - Google Patents
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Description
[0001]有機半導体は、センサー及びディスプレイから、照明及び光電池に及ぶ用途により、人間の生活に好影響を与えていると想定される。ほとんどの無機の対応品とは対照的に、有機デバイスは、プラスチック基板上に溶液から印刷することができ、形状が自由で広域にわたって製造され得る非常に薄くて軽量で弾力のある製品が可能となる。この10年間で、デバイス効率及び安定性の著しい改善がもたらした有機光電池(OPV)は、研究室における単なる現象から、ニッチ市場に至るまで徐々に展開し始めた。溶液で加工処理可能な有機半導体の重要な利点の1つは、新規材料特性及び用途を獲得するために、種々の材料をブレンドする機会があることである。
[0003]一般には、本開示の実施形態は、オプトエレクトロニクスデバイスの活性層、活性層を製作する方法、活性層を含むオプトエレクトロニクスデバイス、オプトエレクトロニクスデバイスを製作する方法、タンデム太陽電池、及び光を電流に変換する方法について記載する。
[0030]本開示の本発明は、様々なオプトエレクトロニクスデバイスに組み込まれ得る活性層に関する。例えば、活性層は、とりわけ、太陽電池、光検出器、常誘電体デバイス、電界効果トランジスター、フォトダイオード、光トランジスター、光電子倍増管、光アイソレータ、光集積回路、フォトレジスター、光伝導管、電荷結合素子、注入レーザーダイオード、量子カスケードレーザー、発光ダイオード、有機発光ダイオード、及び光電子放出管のうちの1つ又は複数に組み込まれ得る。オプトエレクトロニクスデバイスの活性層は、非フラーレン構成成分及びホールスカベンジング構成成分のうちの1つ又は複数を含み得る。UV放射線又は近UV放射線の吸収に限定されたフラーレンアクセプターのような従来の材料とは異なり、非フラーレン構成成分は、とりわけ、近赤外放射線を吸収する場合があり、したがって、透明な単一構成成分オプトエレクトロニクスデバイスとして使用され得る。非フラーレン構成成分は、1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分とブレンドされて(例えば、緊密に混合されて)、希釈系を形成し得る。本開示の活性層は、前例のない透明度、安定性、及び性能特性を伴って使用するオプトエレクトロニクスデバイスをスケールアップ及び製造するのに使用され得る。オプトエレクトロニクスデバイス及び/又は活性層が、環境に配慮した化学溶媒、即ち環境に優しい化学溶媒を使用した様々なコーティング技法及び印刷技法を使用して製造され得ることは、別の有益性である。
[0033]以下に列挙する用語は、以下に記載するように定義した。本開示における他の用語及び語句は全て、当業者に理解されるような通常の意味に従って解釈されよう。
[0079]本明細書中に記載する実施例は、新規の単一構成成分及び希釈系に関する。特に、PC70BMと比較して、NFの種々の光物理的特性に起因して、「希釈」系(D/A 1:10~1:25)を製作し、これは、赤外アクセプターと組み合わせて、AVT>70%を特色とし、同時にPCE>5%~6%を付与し得る。超高速(300fs未満)過渡吸収分光法(TAS)により、非フラーレンアクセプターが、励起子特性ではなく、真性半導体特性を特色することが明らかになった。これは、一般的なドナー及びフラーレンベースの材料とは異なる。実際に、初期の非フラーレンアクセプター材料における自由電子の形成が、超短期間のスケールで観察されたのに対して、一般的な最先端のドナー及びアクセプターは、単に励起子を表した。測定を立証するために、IEICO-4F NFに基づく単一構成成分有機太陽電池(これは、代わりに、0:1希釈系と称され得る)は、ITO/ZnO/非フラーレンアクセプター/MoOx/Agに基づいて、逆位配置で製作された(図6)。図8は、100mWcm-2のAM1.5G照明下での単一構成成分デバイスの電流密度対電圧(J-V)特性を示す。太陽電池は、短絡電流密度(Jsc)3mAcm-2、開回路電圧(Voc)0.77V、曲線因子32%、及び全PCEおよそ1%を付与した。この結果により、非フラーレンアクセプターが、ドナー材料を必要とせずに、室温で励起子を自由電荷に効率的に分割することが可能であり、またNFの二極性に起因して、各々の電極において、ホール及び電子を収集することが可能であることが確認された。しかしながら、単一構成成分デバイスの限られたPCEは、それぞれ、HTL及びETLとのHOMO/LUMOレベルのオームの法則に従わない接触、及び/又は欠陥及び/又はトラップ状態の形成に起因する材料における電荷再結合プロセスに起因した。
として定義される。GFFが100%に近いほど、ソーラーモジュールの最終的なPCEに対するパターニング技法の影響が低い。レーザー構造化により、相互接続領域250μm~300μm、したがって、90%程度と高いGFFを達成することが可能となった。
(三元希釈系)
[0087]2つの電子供与性有機部分及び1つの電子受容性有機部分(又はその逆)を含有する有機三元バルクヘテロ接合型(BHJ)ブレンドは、有機光電池(OPV)の電力変換効率(PCE)15%の重要なバリアを克服すると有望であると思われる最も優良な材料の1つである。バルクヘテロ接合型ブレンドにおいて第3の半導体吸収体を使用して、3つの重要な光起電力パラメーターである短絡電流密度(Jsc)、開回路電圧(Voc)及び曲線因子(FF)を、原則として操作することができ、また二元ブレンドに基づくデバイスと比較して増強することができる。この実施例では、非フラーレン及び2つのホールスカベンジャーに基づく活性層を使用したが、他の組合せも可能である(例えば、とりわけ、2つの非フラーレン及び1つのホールスカベンジャー)。このアプローチを用いて、非フラーレン及び1つのホールスカベンジャーに基づく参照デバイスと比較した場合、三元ブレンドに関する電力変換効率及び熱安定性の二重改善が得られた。実際に、三元デバイスは、PCE 6%を付与したのに対して、二元電池は、より低いPCE5%を示した。さらに、不活性雰囲気中で80℃にて実行された温度分解測定は、二元デバイスと比較して、三元ブレンドに関して安定性の改善を示す。結果を、図14A~図14Bに報告する。
(市販のガラス上にコーティングされた希釈系)
[0088]有機太陽電池に使用される一般的な基板は、低いシート抵抗(15オーム/sq未満)及び低い粗度(1nm未満)を特徴とする酸化インジウムスズ(ITO)でコーティングされたガラスからなる。低い粗度により、性能にとって有害な影響を与えるいかなる欠陥及び/又はピンホールも伴わずに、有機太陽電池の製作が可能になる。商業的に有益な製品のためには、原価の視点で、ITOを、フッ素でドープされた酸化スズ(FTO)で置き換えなくてはならない。しかしながら、従来の有機太陽電池は、ITOと比較して基板のより高い粗度のために、FTOで製作した場合、低効率を特色とする。この実施例では、非フラーレン及び1つ又は複数のホールスカベンジャーに基づく有機太陽電池を、市販のFTOで製作した。デバイスは、標準的なITOベースの太陽電池に匹敵するPCEを付与した。短絡電流密度は、ITOと比較して、FTOのNIRにおいてより高い寄生吸収(parasitic absorption)に起因して、基板の置き換えに影響される唯一のパラメーターであった。希釈系が、従来のドナー:アクセプターブレンドと比較して、基板の欠陥/粗度に対してより高い許容度を特色とすることがわかった。結果を表1に報告する。
(ハイブリッドタンデム太陽電池)
[0089]典型的な太陽電池は、それが、シリコンに基づいていようと、ペロブスカイトに基づいていようと、有機バルクヘテロ接合型に基づいていようと、光起電力材料の単一層に基づく。しかしながら、この単一層が、どれほど効率的に光を電気に変換しているかに対して基本的な物理的限界がある。最良の事例では、この効率上限は、およそ33%である。しかしながら、本明細書中に記載するように、同じデバイスにおいて互いの上部に多重の光起電力材料を「積み重ねること」によって(「多接合型」又は「タンデム」太陽電池として知られている)、光は、より効率的に収集されて、効率限界33%が上がった。重要なことに、効率的なタンデム太陽電池を実現させるためには、両方のサブセルの短絡電流密度(JSC)が、できるだけ同等であることが必要であった(タンデムデバイスのJSCは、最小のサブセルのJSCに制限される一方で、サブセルの開回路電圧VOCは、積算される)。
Claims (19)
- オプトエレクトロニクスデバイスの活性層であって、
1つ又は複数の非フラーレン構成成分と、1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分とを含み、
前記1つ又は複数の非フラーレン構成成分と、前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分とは緊密に混合され、
前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分対前記1つ又は複数の非フラーレン構成成分の比が、1:3~1:25の範囲であり、
前記活性層が、少なくとも70%の平均可視透過率を有し、
前記ホールスカベンジング構成成分は、電荷の抽出を促進し、
前記非フラーレン構成成分が、ロダニン-ベンゾチアジアゾール結合インダセノジチオフェン(IDTBR);2-(3-オキソ-2,3-ジヒドロインデン-1-イリデン)マロノニトリル(INCN)基でエンドキャッピングされたインダセノジチエノ[3,2-b]チオフェン(IT)(ITIC);インダセノ[1,2-b:5,6-b’]ジチオフェン及び2-(3-オキソ-2,3-ジヒドロインデン-1-イリデン)マロノニトリル(IEIC);2,2’-((2Z,2’Z)-((5,5’-(4,4,9,9-テトラキス(4-ヘキシルフェニル)-4,9-ジヒドロ-s-インダセノ[1,2-b:5,6-b’]ジチオフェン-2,7-ジイル)ビス(4-((2-エチルヘキシル)-オキシ)チオフェン-5,2-ジイル))ビス(メタニリリデン))ビス(3-オキソ-2,3-ジ-ヒドロ-1H-インデン-1H-2,1-ジイリデン))ジマロノニトリル(IEICO);IEICO-4F;ナフタレンジイミド(NDI);ベイ連結ペリレンビスイミド(ジ-PBI);ペリレンビスイミド(PBI);チアゾリジン-2,4-ジオン(TD)を含有し、チアゾリジン-2,4-ジオン(TD)でエンドキャッピングされたベンゾトリアゾール;ナフタロシアニン(NC);フタロシアニン(PC);ナフト[1,2-c:5,6-c’]ビス[1,2,5]チアジアゾール;(2E,2E’)-3,3’-(2,5-ジメトキシ-1,4-フェニレン)ビス(2-(5-(4-(N-(2-エチルヘキシル)-1,8-ナフタルイミド)イル)チオフェン-2-イル)アクリロニトリル)(NIDCS-MO);チエノ[3,4-b]チオフェン及び2-(1,1-ジシアノメチレン)ロダニンの組合せ(ATT-1);(3,9-ビス(4-(1,1-ジシアノメチレン)-3-メチレン-2-オキソ-シクロペンタ[b]チオフェン-5,5,11,11-テトラキス(4-ヘキシルフェニル)-ジチエノ[2,3-d’:2,3-d’]-s-インダセノ[1,2-b:5,6-b’]-ジチオフェン(ITCC);インダンジオン;ジシアノビニル;ベンゾチアジアゾール;ジケトピロロピロール;アリーレンジイミド;及びIDICのうちの1つ又は複数を含む、活性層。 - 前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分対前記1つ又は複数の非フラーレン構成成分の比が、1:10~1:25の範囲である、請求項1に記載の活性層。
- 前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分が、第1のホールスカベンジング構成成分と、第2のホールスカベンジング構成成分とを含み、前記第1のホールスカベンジング構成成分及び前記第2のホールスカベンジング構成成分が異なる、請求項1又は2に記載の活性層。
- 前記非フラーレン構成成分が、IEICO-4Fを含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の活性層。
- 前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分が、チオフェン、アセン、フッ素、カルバゾール、インダセノジチエノチオフェン、インダセノチエノチフェン、ベンゾジチアゾール、チエニ-ベンゾチオフェン-ジオン、ベンゾトリアゾール、及びジケトピロロピロールのうちの1つ又は複数を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の活性層。
- 請求項1~5のいずれか一項に記載の活性層を含み、有機光電池、有機フォトダイオード、有機発光ダイオード、有機光電界効果トランジスター、光検出器、及び常誘電体のうちの1つである、オプトエレクトロニクスデバイス。
- 第1の電極材料と、
活性層と、
第2の電極材料と
を含むオプトエレクトロニクスデバイスであって、
前記活性層が、前記第1の電極材料と前記第2の電極材料との間に位置し、
前記活性層が、1つ又は複数の非フラーレン構成成分と、1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分とを含み、
前記1つ又は複数の非フラーレン構成成分と、前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分とは緊密に混合され、
前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分対前記1つ又は複数の非フラーレン構成成分の比が、1:3~1:25の範囲であり、
前記活性層が、少なくとも70%の平均可視透過率を有し、
前記ホールスカベンジング構成成分は、電荷の抽出を促進し、
前記非フラーレン構成成分が、ロダニン-ベンゾチアジアゾール結合インダセノジチオフェン(IDTBR);2-(3-オキソ-2,3-ジヒドロインデン-1-イリデン)マロノニトリル(INCN)基でエンドキャッピングされたインダセノジチエノ[3,2-b]チオフェン(IT)(ITIC);インダセノ[1,2-b:5,6-b’]ジチオフェン及び2-(3-オキソ-2,3-ジヒドロインデン-1-イリデン)マロノニトリル(IEIC);2,2’-((2Z,2’Z)-((5,5’-(4,4,9,9-テトラキス(4-ヘキシルフェニル)-4,9-ジヒドロ-s-インダセノ[1,2-b:5,6-b’]ジチオフェン-2,7-ジイル)ビス(4-((2-エチルヘキシル)-オキシ)チオフェン-5,2-ジイル))ビス(メタニリリデン))ビス(3-オキソ-2,3-ジ-ヒドロ-1H-インデン-1H-2,1-ジイリデン))ジマロノニトリル(IEICO);IEICO-4F;ナフタレンジイミド(NDI);ベイ連結ペリレンビスイミド(ジ-PBI);ペリレンビスイミド(PBI);チアゾリジン-2,4-ジオン(TD)を含有し、チアゾリジン-2,4-ジオン(TD)でエンドキャッピングされたベンゾトリアゾール;ナフタロシアニン(NC);フタロシアニン(PC);ナフト[1,2-c:5,6-c’]ビス[1,2,5]チアジアゾール;(2E,2E’)-3,3’-(2,5-ジメトキシ-1,4-フェニレン)ビス(2-(5-(4-(N-(2-エチルヘキシル)-1,8-ナフタルイミド)イル)チオフェン-2-イル)アクリロニトリル)(NIDCS-MO);チエノ[3,4-b]チオフェン及び2-(1,1-ジシアノメチレン)ロダニンの組合せ(ATT-1);(3,9-ビス(4-(1,1-ジシアノメチレン)-3-メチレン-2-オキソ-シクロペンタ[b]チオフェン-5,5,11,11-テトラキス(4-ヘキシルフェニル)-ジチエノ[2,3-d’:2,3-d’]-s-インダセノ[1,2-b:5,6-b’]-ジチオフェン(ITCC);インダンジオン;ジシアノビニル;ベンゾチアジアゾール;ジケトピロロピロール;アリーレンジイミド;及びIDICのうちの1つ又は複数を含む、オプトエレクトロニクスデバイス。 - 前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分対前記1つ又は複数の非フラーレン構成成分の比が、1:10~1:25の範囲である、請求項7に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
- 前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分が、第1のホールスカベンジング構成成分と、第2のホールスカベンジング構成成分とを含み、前記第1のホールスカベンジング構成成分及び前記第2のホールスカベンジング構成成分が異なる、請求項7又は8に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
- 前記非フラーレン構成成分が、IEICO-4Fを含む、請求項7~9のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
- 前記ホールスカベンジング構成成分が、チオフェン、アセン、フッ素、カルバゾール、インダセノジチエノチオフェン、インダセノチエノチフェン、ベンゾジチアゾール、チエニ-ベンゾチオフェン-ジオン、ベンゾトリアゾール、及びジケトピロロピロールのうちの1つ又は複数を含む、請求項7~10のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
- 前記第1の電極材料及び/又は第2の電極材料が、ドープされた酸化物、金属導体、導電性ポリマー、及び炭素ベースの導体のうちの1つ又は複数である、請求項7~11のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
- 前記ドープされた酸化物が、インジウムでドープされた酸化スズ(ITO)、フッ素でドープされた酸化スズ(FTO)、アルミニウムでドープされた酸化亜鉛(AZO)、及びIn2O3のうちの1つ又は複数である、請求項12に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
- 透明基板と、第1の選択接触層と、第2の選択接触層とをさらに含む、請求項7~13のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
- 前記第1の選択接触層及び/又は第2の選択接触層が、PEDOT:PSS、酸化ニッケル、グラフェン、フッ素でドープされたCsSnI3、ペロブスカイト、金属-フタロシアニン、CuI、PFN、金属-チオシアネート、フタロシアニン、ポリアセチレン、ポリ(フェニレンビニレン)、バソクプロイン、及びそれらの誘導体のうちの1つ又は複数を含む、請求項14に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
- 基板と、
少なくとも1つの活性層を含む第1のサブセルであり、前記活性層が、非フラーレン構成成分と、1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分とを含み、前記1つ又は複数の非フラーレン構成成分と、前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分とは緊密に混合され、前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分対前記1つ又は複数の非フラーレン構成成分の比が、1:3~1:25の範囲であり、前記活性層が、少なくとも70%の平均可視透過率を有し、前記ホールスカベンジング構成成分は、電荷の抽出を促進し、前記非フラーレン構成成分が、ロダニン-ベンゾチアジアゾール結合インダセノジチオフェン(IDTBR);2-(3-オキソ-2,3-ジヒドロインデン-1-イリデン)マロノニトリル(INCN)基でエンドキャッピングされたインダセノジチエノ[3,2-b]チオフェン(IT)(ITIC);インダセノ[1,2-b:5,6-b’]ジチオフェン及び2-(3-オキソ-2,3-ジヒドロインデン-1-イリデン)マロノニトリル(IEIC);2,2’-((2Z,2’Z)-((5,5’-(4,4,9,9-テトラキス(4-ヘキシルフェニル)-4,9-ジヒドロ-s-インダセノ[1,2-b:5,6-b’]ジチオフェン-2,7-ジイル)ビス(4-((2-エチルヘキシル)-オキシ)チオフェン-5,2-ジイル))ビス(メタニリリデン))ビス(3-オキソ-2,3-ジ-ヒドロ-1H-インデン-1H-2,1-ジイリデン))ジマロノニトリル(IEICO);IEICO-4F;ナフタレンジイミド(NDI);ベイ連結ペリレンビスイミド(ジ-PBI);ペリレンビスイミド(PBI);チアゾリジン-2,4-ジオン(TD)を含有し、チアゾリジン-2,4-ジオン(TD)でエンドキャッピングされたベンゾトリアゾール;ナフタロシアニン(NC);フタロシアニン(PC);ナフト[1,2-c:5,6-c’]ビス[1,2,5]チアジアゾール;(2E,2E’)-3,3’-(2,5-ジメトキシ-1,4-フェニレン)ビス(2-(5-(4-(N-(2-エチルヘキシル)-1,8-ナフタルイミド)イル)チオフェン-2-イル)アクリロニトリル)(NIDCS-MO);チエノ[3,4-b]チオフェン及び2-(1,1-ジシアノメチレン)ロダニンの組合せ(ATT-1);(3,9-ビス(4-(1,1-ジシアノメチレン)-3-メチレン-2-オキソ-シクロペンタ[b]チオフェン-5,5,11,11-テトラキス(4-ヘキシルフェニル)-ジチエノ[2,3-d’:2,3-d’]-s-インダセノ[1,2-b:5,6-b’]-ジチオフェン(ITCC);インダンジオン;ジシアノビニル;ベンゾチアジアゾール;ジケトピロロピロール;アリーレンジイミド;及びIDICのうちの1つ又は複数を含む、第1のサブセルと、
アモルファスシリコン、ペロブスカイト結晶構造、固体色素で増感された構造、液体-電解質色素で増感された構造、テルル化カドミウム材料、硫化カドミウム材料、及びガリウムヒ素材料から選択される第2のサブセルと
を含むタンデム太陽電池であって、
前記第2のサブセルが、前記第1のサブセルと前記基板との間に位置する、タンデム太陽電池。 - 前記第1のサブセルが、電磁スペクトルの近赤外領域における光の少なくとも一部を吸収する、請求項16に記載のタンデム太陽電池。
- 前記第2のサブセルが、電磁スペクトルの可視領域における光の少なくとも一部を吸収する、請求項16又は17に記載のタンデム太陽電池。
- 前記1つ又は複数のホールスカベンジング構成成分が、第1のホールスカベンジング構成成分と、第2のホールスカベンジング構成成分とを含み、前記第1のホールスカベンジング構成成分及び前記第2のホールスカベンジング構成成分が異なる、請求項16~18のいずれか一項に記載のタンデム太陽電池。
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