JPWO2016063781A1 - 有機光電変換素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極の間に設けられる活性層と、前記陽極および前記活性層の間に設けられる正孔注入層とを有し、前記陽極が導電性のナノ物質を含む電極であり、前記正孔注入層が水リンス処理後の残膜率測定において残膜率が80%以上である層であることを特徴とする有機光電変換素子。

Description

本発明は、有機光電変換素子およびその製造方法に関する。
有機太陽電池や光センサーなどに用いられる有機光電変換素子は、一対の電極(陽極および陰極)と、電極間に設けられる活性層とから構成されており、これら電極や活性層などを順次所定の順序で積層することにより作製される。
たとえばITOからなる陰極上に、酸化チタンからなる機能層および活性層をこの順に形成しこの上に、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)(PEDOT/PSS)を含む溶液を塗布して正孔注入層を形成後、さらに銀ナノロッドを含む水溶液を塗布して陽極を形成する、半透明な有機光電変換素子の製造方法が知られている(特許文献1参照)。
特表2010−524240号公報
しかしながら、上述の特許文献1記載の有機光電変換素子は、光電変換効率が低い。
本発明の目的は、高い光電変換効率が得られる有機光電変換素子およびその製造方法を提供することにある
本発明は以下のとおりである。
[1] 陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極の間に設けられる活性層と、前記陽極および前記活性層の間に設けられる正孔注入層とを有し、前記陽極が導電性のナノ物質を含む電極であり、前記正孔注入層が下記に示す水リンス処理後の残膜率測定において残膜率が80%以上である層である有機光電変換素子。
<水リンス処理後の残膜率測定方法>
一辺1インチの正方形の基板上に、有機光電変換素子において正孔注入層として成膜する場合と同等の膜厚となるようにスピンコートにより塗布成膜した後、前記膜上にメニスカス状に水を載せ、30秒静置後、4000rpmでスピンさせて水を振り切ることで水リンス処理を行う。水リンス処理前後の膜厚を触針式膜厚計で測定し、水リンス処理後の膜厚/水リンス処理前の膜厚×100(%)を水リンス処理後の残膜率とする。
[2] 前記導電性のナノ物質が、導電性のナノワイヤ、導電性のナノチューブおよび導電性のナノ粒子からなる群から選ばれる1種以上のナノ物質である、[1]に記載の有機光電変換素子。
[3] 前記陰極、前記活性層、前記正孔注入層および前記陽極がこの順で積層された構成である、[1]または[2]に記載の有機光電変換素子。
[4] 前記陰極と前記活性層との間にさらに機能層を有する[1]〜[3]のいずれかに記載の有機光電変換素子。
[5]前記機能層が粒子状の酸化亜鉛を含む塗布液を塗布することによって形成される層である[4]に記載の有機光電変換素子。
[6] 前記活性層が塗布法によって形成される層である[1]〜[5]のいずれかに記載の有機光電変換素子。
[7] 前記陽極が、水とナノ物質とを含む塗布液を塗布することによって形成される電極である[1]〜[6]のいずれかに記載の有機光電変換素子。
[8] 前記活性層がフラーレン類及び/又はフラーレン類の誘導体と、共役高分子化合物とを含む[1]〜[7]のいずれかに記載の有機光電変換素子。
[9] [1]〜[7]のいずれかに記載の有機光電変換素子を有する有機光センサー。
[10] 支持基板と、陽極と、陰極と、陽極および陰極の間に正孔注入層と活性層とを有する有機光電変換素子の製造方法であって、
支持基板上に形成した陰極上に活性層を形成する工程と、前記活性層上に正孔注入層を形成する工程と、前記正孔注入層を形成する工程後に水とナノ物質とを含む塗布液を塗布することによって陽極を形成する工程とを含み、前記正孔注入層が下記に示す膜の水リンス処理後の残膜率測定において残膜率が80%以上である層である有機光電変換素子の製造方法。
<水リンス処理後の残膜率測定方法>
一辺1インチの正方形の基板上に、有機光電変換素子において正孔注入層として成膜する場合と同等の膜厚となるようにスピンコートにより塗布成膜した後、前記膜上にメニスカス状に水を載せ、30秒静置後、4000rpmでスピンさせて水を振り切ることで水リンス処理を行う。水リンス処理前後の膜厚を触針式膜厚計で測定し、水リンス処理後の膜厚/水リンス処理前の膜厚×100(%)を水リンス処理後の残膜率とする。
以下、本発明を詳細に説明する。
<1>有機光電変換素子の構成
本発明の有機光電変換素子は、陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極の間に設けられる活性層と、前記陽極および前記活性層の間に設けられる正孔注入層とを有し、前記陽極が導電性のナノ物質を含む電極であり、前記正孔注入層が水リンス処理後の残膜率測定において残膜率が80%以上である層である有機光電変換素子である。
である。
本発明の有機光電変換素子は、陰極、活性層、正孔注入層、および陽極がこの順で積層された構成であることが好ましく、さらに陰極と活性層との間に機能層を有する構成であることがより好ましい。
陽極および陰極のうちの少なくとも一方は、透明又は半透明の電極によって構成される。透明又は半透明の電極から入射した光は、活性層中において、後述の電子受容性化合物及び/又は電子供与性化合物に吸収され、それによって電子と正孔とが結合した励起子が生成される。この励起子が活性層中を移動し、電子受容性化合物と電子供与性化合物とが隣接するヘテロ接合界面に達すると、界面でのそれぞれのHOMOエネルギー及びLUMOエネルギーの違いにより電子と正孔とが分離し、独立して移動することのできる電荷(電子と正孔)が発生する。発生した電荷は、それぞれ電極へ移動することにより外部へ電気エネルギー(電流)として取り出される。
(支持基板)
本発明の有機光電変換素子は、通常、支持基板上に形成される。支持基板には、有機光電変換素子を作製する際に化学的に変化しないものが好適に用いられる。支持基板としては、例えば、ガラス基板、プラスチック基板、高分子フィルム、シリコン板等が挙げられる。透明又は半透明な陽極から光を取り込む形態の有機光電変換素子の場合、支持基板には光透過性の高い基板が好適に用いられる。不透明な基板上に有機光電変換素子を作製する場合には、陽極側から光を取り込むことができないため、陰極が透明又は半透明な電極から構成される。このような電極を用いることにより、たとえ不透明な支持基板を用いたとしても、支持基板側に設けられる陽極とは反対側の陰極から光を取り込むことができる。
本発明の有機光電変換素子が支持基板上に形成される場合、本発明の有機光電変換素子は、支持基板、陰極、活性層、正孔注入層、および陽極がこの順で積層された構成であることが好ましく、さらに陰極と活性層との間に機能層を有する構成であることがより好ましい。
(陰極)
陰極には、導電性の金属酸化物膜、金属薄膜、および有機物を含む導電膜等が用いられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、インジウムスズ酸化物(Indium Tin Oxide:略称ITO)、インジウム亜鉛酸化物(Indium Zinc Oxide:略称IZO)、金、白金、銀、銅、アルミニウム、ポリアニリン及びその誘導体、並びにポリチオフェン及びその誘導体等の薄膜が用いられる。これらのなかでも陰極には、ITO、IZO、酸化スズの薄膜が好適に用いられる。陰極から光を取り入れる構成の有機光電変換素子では、たとえば上述の陰極を構成する薄膜の膜厚を、光が透過する程度の厚さにした透明又は半透明な電極が陰極として用いられる。
(機能層)
有機光電変換素子は、電極間に活性層に限らず所定の機能層を備えることがある。このような機能層として、電子輸送性材料を含む機能層を、活性層と陰極との間に設けることが好ましい。
機能層は、塗布法により形成することが好ましく、たとえば電子輸送性材料と溶媒とを含む塗布液を、当該機能層が設けられる層の表面上に塗布することにより形成することが好ましい。本発明において、塗布液は、エマルション(乳濁液)、サスペンション(懸濁液)等の分散液も含む。
電子輸送性材料としては、例えば、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化スズ、酸化インジウム、ITO(インジウムスズ酸化物)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、GZO(ガリウムドープ酸化亜鉛)、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)、AZO(アルミニウムドープ酸化亜鉛)が挙げられ、これらの中でも、酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛またはアルミニウムドープ酸化亜鉛が好ましい。機能層を形成するさいには、粒子状の酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛またはアルミニウムドープ酸化亜鉛を含む塗布液を成膜して、当該機能層を形成することが好ましい。このような電子輸送材料としては、いわゆる酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛またはアルミニウムドープ酸化亜鉛のナノ粒子を用いることが好ましく、酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛またはアルミニウムドープ酸化亜鉛のナノ粒子のみからなる電子輸送性材料を用いて、機能層を形成することがより好ましい。酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛またはアルミニウムドープ酸化亜鉛の球相当の平均粒子径は、1nm〜1000nmが好ましく、10nm〜100nmが好ましい。平均粒子径はレーザー光散乱法や、X線回折法によって測定される。
陰極と活性層との間に、電子輸送性材料を含む機能層を設けることによって、活性層から陰極への電子注入効率を高めることができる。機能層は、活性層に接して設けることが好ましく、さらには陰極にも接して設けられることが好ましい。このような機能層を設けることによって、信頼性が高く、光電変換効率の高い有機光電変換素子を実現することができる。
電子輸送性材料を含む機能層は、いわゆる電子輸送層及び/又は電子注入層として機能する。このような機能層を設けることによって、陰極への電子の注入効率を高めたり、活性層からの正孔の注入を防いだり、電子の輸送能を高めたり、陰極を塗布法で形成する際に用いられる塗布液による侵食から活性層を保護したり、活性層の劣化を抑制したりすることができる。
電子輸送性材料を含む塗布液は、アルカリ金属の錯体、アルカリ金属の塩、アルカリ土類金属の錯体、およびアルカリ土類金属の塩からなる群から選ばれた少なくとも1種(以下、「アルカリ金属、アルカリ土類金属の錯体または塩」ということがある。)を含むことが好ましい。このような塗布液を用いることにより、アルカリ金属、アルカリ土類金属の錯体または塩を含む機能層を形成することができる。アルカリ金属、アルカリ土類金属の錯体または塩を含有することで、さらに電子注入効率を高めることができる。
アルカリ金属、アルカリ土類金属の錯体または塩は、上記塗布液の溶媒に可溶であることが好ましい。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムがあげられる。アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、があげられる。錯体としては、β-ジケトン錯体、塩としては、アルコキシド、フェノキシド、カルボン酸塩、炭酸塩、水酸化物があげられる。
アルカリ金属、アルカリ土類金属の錯体または塩の具体例としては、ナトリウムアセチルアセトナト、セシウムアセチルアセトナト、カルシウムビスアセチルアセトナト、バリウムビスアセチルアセトナト、ナトリウムメトキシド、ナトリウムフェノキシド、ナトリウムtert-ブトキシド、ナトリウムtert-五酸化物、酢酸ナトリウム、クエン酸ナトリウム、炭酸セシウム、酢酸セシウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム等があげられる。
これらのなかでも、ナトリウムアセチルアセトナト、セシウムアセチルアセトナト、酢酸セシウムが好ましい。
電子輸送性材料を含む塗布液において、粒子状の電子輸送性材料を100重量部とすると、アルカリ金属、アルカリ土類金属の錯体または塩の合計重量は1〜1000であり、5〜500が好ましい。
機能層としては、その他に、極性基を側鎖に持つポリマー、たとえばポリエチレンオキサイド(PEO)、エトキシ化ポリエチレンイミン(PEIE)、ポリエチレンイミン(PEI)、 [(9,9-bis(30-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)] (PFN)、(WPF−oxy−F)、(WPF−6−オキシ−F)などを用いることができる。
(活性層)
活性層は、単層の形態または複数の層が積層された形態をとりうる。単層構成の活性層は、電子受容性化合物及び電子供与性化合物を含有する層から構成される。
複数の層が積層された構成の活性層は、たとえば電子供与性化合物を含有する第一の活性層と、電子受容性化合物を含有する第二の活性層とを積層した積層体から構成される。この場合、第一の活性層が、第二の活性層に対して陽極寄りに配置される。
有機光電変換素子は、中間層を介して複数の活性層が積層された構成であっても構わない。このような場合は、マルチ接合型素子(タンデム型素子)となる。この場合、各活性層は、電子受容性化合物及び電子供与性化合物を含有する単層型であっても構わないし、電子供与性化合物を含有する第一の活性層と、電子受容性化合物を含有する第二の活性層とを積層した積層体から構成された積層型であっても構わない。
中間層は、単層の形態または複数の層が積層された形態をとりうる。中間層はいわゆる電荷注入層および/または電荷輸送層によって構成される。中間層には、たとえば後述の電子輸送性材料を含む機能層を用いることができる。
活性層は塗布法により形成されることが好ましい。活性層は、高分子化合物を含むことが好ましく、高分子化合物を一種単独で含んでいても二種以上を組み合わせて含んでいてもよい。活性層の電荷輸送性を高めるために、前記活性層中に電子供与性化合物及び/又は電子受容性化合物を混合してもよい。
有機光電変換素子に用いられる電子受容性化合物は、そのHOMOエネルギーが電子供与性化合物のHOMOエネルギーよりも高く、かつ、そのLUMOエネルギーが電子供与性化合物のLUMOエネルギーよりも高い化合物から成る。
前記電子供与性化合物は低分子化合物であっても高分子化合物であってもよい。低分子の電子供与性化合物としては、フタロシアニン、金属フタロシアニン、ポルフィリン、金属ポルフィリン、オリゴチオフェン、テトラセン、ペンタセン、ルブレン等が挙げられる。
高分子の電子供与性化合物としては、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、側鎖又は主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、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、ポリピロール及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体等が挙げられる。
前記電子受容性化合物は低分子化合物であっても高分子化合物であってもよい。低分子の電子受容性化合物としては、オキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン及びその誘導体、ベンゾキノン及びその誘導体、ナフトキノン及びその誘導体、アントラキノン及びその誘導体、テトラシアノアントラキノジメタン及びその誘導体、フルオレノン誘導体、ジフェニルジシアノエチレン及びその誘導体、ジフェノキノン誘導体、8−ヒドロキシキノリン及びその誘導体の金属錯体、ポリキノリン及びその誘導体、ポリキノキサリン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、C60等のフラーレン類及びその誘導体、バソクプロイン等のフェナントレン誘導体等が挙げられる。高分子の電子受容性化合物としては、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、側鎖又は主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、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、ポリピロール及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体等が挙げられる。これらのなかでも、とりわけフラーレン類及びその誘導体が好ましい。
フラーレン類としては、C60、C70、カーボンナノチューブ、及びその誘導体が挙げられる。C60フラーレンの誘導体の具体的構造としては、以下のようなものが挙げられる。
Figure 2016063781
活性層が、フラーレン類及び/又はフラーレン類の誘導体からなる電子受容性化合物と、電子供与性化合物とを含有する構成では、フラーレン類及びフラーレン類の誘導体の割合が、電子供与性化合物100重量部に対して、10〜1000重量部であることが好ましく、50〜500重量部であることがより好ましい。有機光電変換素子としては、前述の単層構成の活性層を備えることが好ましく、ヘテロ接合界面を多く含むという観点からは、フラーレン類及び/又はフラーレン類の誘導体からなる電子受容性化合物と、電子供与性化合物とを含有する単層構成の活性層を備えることがより好ましい。
中でも活性層は、共役高分子化合物と、フラーレン類及び/又はフラーレン類の誘導体とを含むことが好ましい。活性層に用いられる共役高分子化合物としては、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、式(I)で示される構成単位を有する共役高分子化合物等があげられる。中でも、式(I)で表される構成単位を有する共役高分子化合物が好ましい。
Figure 2016063781
式(I)中、Zは下記式(Z−1)〜式(Z−7)のうちのいずれか1つで表される基を表す。Ar及びArは、同一でも異なっていてもよく、3価の芳香族複素環基を表す

Figure 2016063781
式(Z−1)〜式(Z−7)中、Rは、水素原子、ハロゲン原子、アミノ基、シアノ基又は1価の有機基を表す。1価の有機基としては、例えば、置換されていてもよいアルキル基、置換されていてもよいアルコキシ基、置換されていてもようアルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、置換されていてもよいアリールアルキル基、置換されていてもよいアリールアルコキシ基、置換されていてもよいアリールアルキルチオ基、置換されていてもよいアシル基、置換されていてもよいアシルオキシ基、置換されていてもよいアミド基、置換されていてもよい酸イミド基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、1価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基、が挙げられる。式(Z−1)〜式(Z−7)のそれぞれにおいて、Rが2つある場合、それらは同一でも相異なってもよい。
前記式(I)で表される構成単位としては、下記式(2)で表される構成単位であることが好ましい。
Figure 2016063781
〔式(2)中、Zは前述と同様の意味を表す。〕
式(2)で表される構成単位としては、例えば、式(501)〜式(505)で表される構成単位が挙げられる。

Figure 2016063781
〔式中、Rは、前述と同じ意味を表わす。Rが2つある場合、それらは同一でも異なっていてもよい。〕
上記の式(501)〜式(505)で表される構成単位の中でも、高効率な光電変換素子を得る観点からは、式(501)、式(502)、式(503)、式(504)で表される構成単位が好ましく、式(501)、式(504)で表される構成単位がより好ましく、式(501)で表される構成単位がよりさらに好ましい。
式(1)で表される構成単位を有する共役高分子化合物は、国際公開番号WO2013/051676A1に記載された方法で製造し用いることができる。
本発明において、高分子化合物は、重量平均分子量が3000以上の化合物を意味する。高分子化合物の重量平均分子量は、3000〜10000000が好ましく、8000〜5000000がより好ましく、10000〜1000000がさらに好ましい。
高分子化合物の重量平均分子量が3000より小さいと、素子の作製に用いたときに、塗布性が低下することがある。重量平均分子量が10000000より大きいと、素子の作製に用いたときに、溶媒への溶解性や塗布性が低下することがある。
高分子化合物の重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算の重量平均分子量を意味する。
高分子化合物のポリスチレン換算の数平均分子量としては、1000〜100000000が好ましい。ポリスチレン換算の数平均分子量が1000以上である場合には、強靭な薄膜が得られやすくなる。ポリスチレン換算の数平均分子量が100000000以下である場合には、高分子化合物の溶解性が高く、薄膜の作製が容易である。高分子化合物のポリスチレン換算の数平均分子量としては、3000以上が好ましい。
活性層の膜厚は、通常、1nm〜100μmであり、好ましくは2nm〜1000nmであり、より好ましくは5nm〜500nmであり、さらに好ましくは20nm〜200nmである。
(正孔注入層)
正孔注入層は陽極と活性層との間に設けられ、陽極への正孔注入を促進する機能を有する。正孔注入層は好ましくは陽極に接して設けられる。本発明の有機光電変換素子が有する正孔注入層は成膜後に水に不溶な層である。本発明の有機光電変換素子が有する正孔注入層は、下記に示す水リンス処理後の残膜率測定において残膜率が80%以上である層であり、残膜率は90%以上であることがより好ましく、残膜率が98%〜100%である層であることがさらに好ましい。
正孔注入層の膜厚は通常1nm〜100μmである。
本発明において、水リンス処理後の残膜率は以下の測定方法で求める。一辺1インチの正方形の基板上に、実際に有機光電変換素子において正孔注入層として成膜する場合と同等の膜厚となるようにスピンコートにより塗布成膜した後、前記膜(残膜率測定用膜)上にメニスカス状に水を載せ、30秒静置後、4000rpmでスピンさせて水を振り切ることで膜に水リンス処理を行う。水リンス処理前後の膜厚を触針式膜厚計で測定し、水リンス処理後の膜厚/水リンス処理前の膜厚×100(%)を水リンス処理後の残膜率とする。本発明では、触針式膜厚計として、DEKTAK Bruker Nano社製の触針式膜厚計を用いて測定を行った。
残膜率測定用膜は、本発明の有機光電変換素子の正孔注入層と実質的に同じ膜である。
より具体的には、残膜率測定用膜は、本発明の有機光電変換素子の正孔注入層と実質的に同じ材料を用いて、正孔注入層と実質的に同じ方法で製造された、正孔注入層と実質的の同じ膜厚の膜である。 残膜率測定用膜上に水をメニスカス状、即ち水がメニスカスを形成するように載せることにより、水を膜の表面の実質的全面を覆うように載せることができる。
水を振り切るためのスピンは、スピンコータで行うことができる。水が振りきれたことは、目視で確認することができる。通常は、4000rpmで5秒以上スピンさせることにより水を振り切ることができる。
水リンス処理前後の膜厚は、一辺1インチの正方形の基板の中心部で測定する。
本発明の有機光電変換素子が有する正孔注入層の材料としては、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、ポリピロール及びその誘導体、芳香族アミン残基を繰り返し単位にもつ高分子化合物等の高分子化合物;アニリン、チオフェン、ピロール、芳香族アミン化合物等の低分子化合物;CuSCN、CuI等の無機化合物が挙げられる。ポリチオフェン及びその誘導体、芳香族アミン化合物、芳香族アミン残基を繰り返し単位にもつ高分子化合物、CuSCN並びにCuIからなる群より選ばれる1以上であることが好ましい。
ポリチオフェン及びその誘導体の中では、スルホ基を有するポリチオフェン誘導体が好ましい。
(陽極)
陽極は、単層の形態または複数の層が積層された形態をとりうる。本発明では陽極は、導電性のナノ物質を含む。ナノ物質とは1次元、2次元あるいは3次元のサイズがナノスケール(1000nm以下)である物質を示す。本発明のナノ物質としては、1次元、2元あるいは3次元のサイズのいずれかが、500nm以下であることが好ましく、100nm以下であることがより好ましい。導電性のナノ物質としては、導電性のナノワイヤ、導電性のナノチューブ、導電性のナノ粒子、導電性のナノロッド、導電性のナノプレートなどが挙げられる。ナノ粒子は3つの次元のサイズがいずれのナノスケールであるナノ物質を示す。ナノワイヤは、2つ次元のサイズがナノスケールであり同程度の大きさ(2つの次元の長さの比が1:10以下)であり、かつ、他の1次元のサイズが1000nm以上であることが好ましい。他の1次元のサイズは2000nm以上であることがより好ましく、3000nm以上であることがさらに好ましい。ナノチューブは、中空の形状を有するナノ物質であり、好ましいサイズはナノワイヤと同等のサイズが挙げられる。陰極に含まれるナノ物質としては、導電性のナノワイヤ、導電性のナノチューブおよび導電性のナノ粒子からなる群から選ばれる1種以上であることが好ましい。ナノ物質としては、光の透過性と導電性の点から、導電性のナノワイヤおよび/または導電性のナノチューブであることがより好ましく、導電性のナノワイヤであることがさらに好ましい。導電性のナノワイヤや導電性のナノチューブは格子状に絡み合い、光の透過性と導電性の両方を備えた透明な導電フィルムを形成することができる。導電性のナノ物質と、溶媒とを含む塗布液は、導電性物質のナノ粒子、導電性物質のナノワイヤ、または導電性物質のナノチューブを含む、エマルション(乳濁液)やサスペンション(懸濁液)などが挙げられる。塗布液に用いる溶媒としては、ナノ物質が分散しやすく、かつ、環境負荷の影響を小さくするという観点から、水を含むことが好ましい。導電性物質としては、金、銀、等の金属、ITO(インジウムスズ酸化物)等の酸化物、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ等の炭素材料が挙げられる。導電性物質は、導電性のナノワイヤ又は導電性のナノロッドの場合は、金属であることが好ましく、銀であることがより好ましい。導電性のナノチューブ、導電性のナノ粒子および導電性のナノプレートの場合は炭素材料であることが好ましい。陽極は、導電性のナノ物質のみから構成されていてもよいが、陽極は、特表2010−525526号に示されるように、これら導電性のナノ物質が、導電性ポリマーなどの所定の媒体中に分散して配置された構成を有していてもよい。
<2>有機光電変換素子の製造方法
本発明の有機光電変換素子の製造方法は、一対の電極と、前記一対の電極の間に正孔注入層と活性層とを有する有機光電変換素子の製造方法であって、
支持基板上に形成した陰極上に活性層を形成する工程と、前記活性層上に正孔注入層を形成する工程と、前記正孔注入層を形成する工程後に水と導電性のナノ物質とを含む塗布液を塗布することによって陽極を形成する工程とを含み、前記正孔注入層が水リンス処理後の残膜率測定において残膜率が80%以上である層であることを特徴とする有機光電変換素子の製造方法である。
<陰極形成工程>
陰極は、例としてあげた陰極の材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法等によって前述した支持基板上に成膜することで形成される。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等の有機材料を含む塗布液、金属インク、金属ペースト、溶融状態の低融点金属等を用いて、塗布法によって陰極を形成してもよい。
<機能層形成工程>
前述したように、活性層と陰極との間には、電子輸送性材料を含む機能層を形成することが好ましい。すなわち陰極形成後、かつ前記活性層の形成前に、上述した電子輸送性材料を含む塗布液を陰層上に塗布成膜することによって機能層を形成することが好ましい。
機能層を塗布形成する際に用いる塗布液は、溶媒と、前述した電子輸送性材料とを含む。前記塗布液の溶媒としては、水、アルコール、ケトン等があげられ、アルコールの具体例としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブトキシエタノール、メトキシブタノール等があげられ、、ケトンの具体例としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、2−ヘプタノン、シクロヘキサノン及びこれらの2種以上の混合物等があげられる。本発明に用いられる塗布液は、2種類以上の溶媒を含んでいてもよく、上記で例示した溶媒を2種類以上含んでいてもよい。
<活性層形成工程>
活性層の形成方法はとくに限定されないが、製造工程の簡易化の観点からは塗布法によって形成することが好ましい。活性層は例えば前述した活性層の構成材料と溶媒とを含む塗布液を用いる塗布法により形成することができ、例えば共役高分子化合物およびフラーレン類及び/又はフラーレン類の誘導体と、溶媒とを含む塗布液を用いる塗布法により形成することができる。
溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、デカリン、ビシクロヘキシル、n−ブチルベンゼン、s−ブチルベゼン、t−ブチルベンゼン等の炭化水素溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、ブロモペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化不飽和炭化水素溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル溶媒等が挙げられる。
本発明に用いられる塗布液は、2種類以上の溶媒を含んでいてもよく、上記で例示した溶媒を2種類以上含んでいてもよい。
前記活性層の構成材料を含む塗布液を塗布する方法としては、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法、ノズルコート法、キャピラリーコート法等の塗布法を挙げることができ、これらのなかでもスピンコート法、フレキソ印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法が好ましい。
<正孔注入層形成工程>
本発明の有機光電変換素子が有する正孔注入層は、構成材料、製造条件、膜厚等を適宜選択することにより製造することができる。
正孔注入層の形成方法はとくに限定されないが、製造工程の簡易化の観点からは塗布法によって形成することが好ましい。正孔注入層は例えば前述した正孔注入層の構成材料と溶媒とを含む塗布液を用いる塗布法により形成することができる。
<陽極形成工程>
陽極は、活性層または機能層などの表面上に、導電性のナノ物質と、溶媒とを含む塗布液を用いて塗布法により形成されることが好ましく、この場合、塗布液を正孔注入層の表面上に塗布することによって陽極が形成される。本発明の陰極を形成する際に用いる塗布液の溶媒としては、水が含まれることが好ましい。溶媒に水が含まれる場合、塗布液中の溶媒の全重量100重量部に対して、水は10重量部以上含まれ、50重量部以上含まれることが好ましい。塗布液が含んでもよい、水以外の溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、デカリン、ビシクロヘキシル、n−ブチルベンゼン、s−ブチルベゼン、t−ブチルベンゼン等の炭化水素溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、ブロモペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化不飽和炭化水素溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル溶媒、アルコール等があげられる。アルコールの具体例としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブトキシエタノール、メトキシブタノール等があげられる。本発明に用いられる塗布液の溶媒は、2種類以上の溶媒を含んでいてもよく、上記で例示した溶媒を2種類以上組合わせて含んでいてもよい。
本発明の有機光電変換素子は、透明又は半透明の電極に太陽光等の光を照射することにより、電極間に光起電力が発生し、有機薄膜太陽電池として動作させることができる。
有機薄膜太陽電池を複数集積することにより有機薄膜太陽電池モジュールとして用いることもできる。
本発明の有機光電変換素子は、電極間に電圧を印加した状態で、透明又は半透明の電極に光を照射することにより、光電流が流れ、有機光センサーとして動作させることができる。有機光センサーを複数集積することにより有機イメージセンサーとして用いることもできる。
以下、本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以下の実施例において、重合体の分子量として、GPCラボラトリー製GPC(PL−GPC2000)を用いてポリスチレン換算の数平均分子量および重量平均分子量を求めた。重合体の濃度が約1重量%となるようにo−ジクロロベンゼンに重合体を溶解させた。GPCの移動相にはo−ジクロロベンゼンを用い、測定温度140℃で、1mL/分の流速で流した。カラムは、PLGEL 10μm MIXED−B(PLラボラトリー製)を3本直列で繋げた。
合成例1
(化合物2の合成)




Figure 2016063781
化合物1 化合物2

フラスコ内の気体をアルゴンで置換した200mLフラスコに、国際公開第2011/052709号の記載に従って合成した化合物1を2.00g(3.77 mmol)、脱水テトラヒドロフランを100mL入れて均一な溶液とした。該溶液を−78℃に保ち、該溶液に1.6Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液5.89mL(9.42mmol)を10分かけて滴下した。滴下後、反応液を−78℃で30分攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、フラスコを−78℃に冷却し、反応液にトリブチルスズクロリドを3.37g(10.4mmol)加えた。添加後、反応液を−78℃で30分攪拌し、次いで、室温(25℃)で3時間攪拌した。その後、反応液に水200mlを加えて反応を停止し、酢酸エチルを加えて反応生成物を含む有機層を抽出した。有機層を硫酸ナトリウムで乾燥させ、濾過後、濾液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。得られたオイル状の物質を展開溶媒がヘキサンであるシリカゲルカラムで精製した。シリカゲルカラムのシリカゲルには、あらかじめ10重量%のトリエチルアミンを含むヘキサンに5分間浸し、その後、ヘキサンで濯いだシリカゲルを用いた。精製後、化合物2を3.55g(3.20mmol)得た。
合成例2
(高分子化合物1の合成)

Figure 2016063781
化合物3 化合物2 化合物4

フラスコ内の気体をアルゴンで置換した300mLフラスコに、国際公開第2011/052709号の記載に従って合成した化合物3を800mg(0.760 mmol)、化合物2を840mg(0.757mmol)、国際公開第2011/052709号の記載に従って合成した化合物4を471mg(1.43mmol)、トルエンを107ml入れて均一な溶液とした。得られたトルエン溶液を、アルゴンで30分バブリングした。その後、トルエン溶液に、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを19.6mg(0.0214mmol)、トリス(2−トルイル)ホスフィンを39.1mg(0.128mmol)加え、100℃で6時間攪拌した。その後、反応液にフェニルブロミドを660mg加え、さらに5時間攪拌した。その後、フラスコを25℃に冷却し、反応液をメタノール2000mLに注いだ。析出したポリマーを濾過して集め、得られたポリマーを円筒濾紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ5時間抽出した。円筒濾紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン53mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム1.21gと水12mLとを加え、8時間還流下で攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水200mlで2回洗浄し、次いで、3重量%の酢酸水溶液200mLで2回洗浄し、次いで、水200mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。ポリマーを濾過後、乾燥させ、得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン62mLに再度溶解させ、アルミナ/シリカゲルカラムに通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、ポリマーを濾過後、乾燥させ、精製された重合体802mgを得た。以下、この重合体を高分子化合物1と呼称する。
(組成物1の製造)
フラーレン類の誘導体として10重量部の[6,6]−フェニルC61−酪酸メチルエステル(C60PCBM)(フロンティアカーボン社製E100)と、電子供与体化合物として5重量部の重合体1と、溶媒として1000重量部のo−ジクロロベンゼンとを混合した。次に、混合した溶液を、孔径1.0μmのテフロン(登録商標)フィルターで濾過して組成物1を調製した。
実施例1
(有機薄膜太陽電池の作製、評価)
太陽電池の陽極として機能するITO薄膜が形成されたガラス基板を用意した。ITO薄膜はスパッタ法によって形成されたものであり、その厚みは150nmであった。このガラス基板をオゾンUV処理し、ITO薄膜の表面処理を行った。次に、酸化亜鉛ナノ粒子の45重量%イソプロパノール分散液(HTD−711Z、テイカ社製)を、当該分散液の10倍重量部のイソペンタノールで希釈し、塗布液を調製した。この塗布液を、スピンコートにより活性層上に40nmの膜厚で塗布し、大気中170℃で10分間加熱することにより、機能層を形成した。この機能層上に、前記組成物1をスピンコートにより塗布し、活性層(膜厚約100nm)を形成した。
次に、Plexcore PV2000 Hole Transport Ink(シグマ・アルドリッチ社より購入。Sulfonated polythiophene(thiophene-3-[2-(2-methoxyethoxy)ethoxy]-2,5-diyl) (S-P3MEET) 1.8% in 2−butoxyethanol:water (2:3))をスピンコートにより活性層上に塗布し、膜厚50nmの正孔注入層を形成した。
次に、水溶媒のワイヤー状導電体分散液(ClearOhm(登録商標)Ink−N AQ:Cambrios Technologies Corporation社製)をスピンコーターによって塗布し、乾燥させることで、膜厚120nmの導電性ワイヤー層からなる陽極を得た。その後、UV硬化性封止剤で封止することで有機薄膜太陽電池を得た。得られた有機薄膜太陽電池に、1cm×1cmの正四角形の遮光マスクをかぶせて、ソーラシミュレーター(分光計器製、商品名OTENTO-SUNII:AM1.5Gフィルター、放射照度100mW/cm2)を用いて、得られた有機薄膜太陽電池に一定の光を照射し、発生する電流と電圧を測定することによって光電変換効率を測定した。光電変換効率は2.51%、短絡電流密度は8.44mA/cm2、開放端電圧は0.65V、FF(フィルファクター)は0.46であった。
参考例1
(有機薄膜太陽電池の作製、評価)
太陽電池の陽極として機能するITO薄膜が形成されたガラス基板を用意した。ITO薄膜はスパッタ法によって形成されたものであり、その厚みは150nmであった。このガラス基板をオゾンUV処理し、ITO薄膜の表面処理を行った。次に、酸化亜鉛ナノ粒子の45重量%イソプロパノール分散液(HTD−711Z、テイカ社製)を、当該分散液の10倍重量部のイソペンタノールで希釈し、塗布液を調製した。この塗布液を、スピンコートにより活性層上に40nmの膜厚で塗布し、大気中170℃で10分間加熱することにより、機能層を形成した。この機能層上に、前記組成物1をスピンコートにより塗布し、活性層(膜厚約100nm)を形成した。
次に、ヘレウス製PEDOT:PSSのAI4083に界面活性剤Zonyl FS−300を1重量%添加した溶液を、スピンコートにより活性層上に塗布し、膜厚65nmの正孔注入層を形成した。
次に、水溶媒のワイヤー状導電体分散液(ClearOhm(登録商標)Ink−N AQ:Cambrios Technologies Corporation社製)をスピンコーターによって塗布し、乾燥させることで、膜厚120nmの導電性ワイヤー層からなる陽極を得た。その後、UV硬化性封止剤で封止することで有機薄膜太陽電池を得た。得られた有機薄膜太陽電池に、1cm×1cmの正四角形の遮光マスクをかぶせて、ソーラシミュレーター(分光計器製、商品名OTENTO-SUNII:AM1.5Gフィルター、放射照度100mW/cm2)を用いて、得られた有機薄膜太陽電池に一定の光を照射し、発生する電流と電圧を測定することによって光電変換効率を測定した。光電変換効率は0.65%、短絡電流密度は4.98mA/cm2、開放端電圧は0.51V、FF(フィルファクター)は0.26であった。
(残膜率の測定)
一辺1インチの正方形の基板上に、Plexcore PV2000 Hole Transport Ink(シグマ・アルドリッチ社より購入)をスピンコートにより塗布し、真空中で乾燥させることで、膜厚50nmの塗布膜を形成した。次に、この塗布膜上にメニスカス状に水を載せ、30秒後に4000rpmでスピンさせて振り切った。塗布膜の残膜率は、100%であった。
一辺1インチの正方形の基板上にヘレウス製PEDOT:PSSのAI4083に界面活性剤Zonyl FS−300を1重量%添加した溶液を、スピンコートにより塗布し、真空中で乾燥させることで、膜厚65nmの塗布膜を形成した。次に、この塗布膜上にメニスカス状に水を載せ、30秒後に4000rpmでスピンさせて振り切った。塗布膜の残膜率は、0%であった。
本発明によれば、高い光電変換効率が得られる有機光電変換素子およびその製造方法が提供される。本発明の有機光電変換素子は、高い光耐久性を示す。

Claims (10)

  1. 陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極の間に設けられる活性層と、前記陽極および前記活性層の間に設けられる正孔注入層とを有し、前記陽極が導電性のナノ物質を含む電極であり、前記正孔注入層が下記に示す水リンス処理後の残膜率測定において残膜率が80%以上である層である有機光電変換素子。
    <水リンス処理後の残膜率測定方法>
    一辺1インチの正方形の基板上に、有機光電変換素子において正孔注入層として成膜する場合と同等の膜厚となるようにスピンコートにより塗布成膜した後、前記膜上にメニスカス状に水を載せ、30秒静置後、4000rpmでスピンさせて水を振り切ることで水リンス処理を行う。水リンス処理前後の膜厚を触針式膜厚計で測定し、水リンス処理後の膜厚/水リンス処理前の膜厚×100(%)を水リンス処理後の残膜率とする。
  2. 前記導電性のナノ物質が、導電性のナノワイヤ、導電性のナノチューブおよび導電性のナノ粒子からなる群から選ばれる1種以上のナノ物質である、請求項1に記載の有機光電変換素子。
  3. 前記有機光電変換素子が、陰極、活性層、正孔注入層および陽極がこの順で積層された構成である、請求項1または2に記載の有機光電変換素子。
  4. 前記陰極と前記活性層との間にさらに機能層を有する請求項1〜3のいずれかに記載の有機光電変換素子。
  5. 前記機能層が粒子状の酸化亜鉛を含む塗布液を塗布することによって形成される層である請求項4に記載の有機光電変換素子。
  6. 前記活性層が塗布法によって形成される層である請求項1〜5のいずれかに記載の有機光電変換素子。
  7. 前記陽極が、水とナノ物質とを含む塗布液を塗布することによって形成される電極である請求項1〜6のいずれかに記載の有機光電変換素子。
  8. 前記活性層がフラーレン類及び/又はフラーレン類の誘導体と、共役高分子化合物とを含む請求項1〜7のいずれかに記載の有機光電変換素子。
  9. 請求項1〜7のいずれかに記載の有機光電変換素子を有する有機光センサー。
  10. 支持基板と、陽極と、陰極と、陽極および陰極の間に正孔注入層と活性層とを有する有機光電変換素子の製造方法であって、
    支持基板上に形成した陰極上に活性層を形成する工程と、前記活性層上に正孔注入層を形成する工程と、前記正孔注入層を形成する工程後に水と導電性のナノ物質とを含む塗布液を塗布することによって陽極を形成する工程とを含み、前記正孔注入層が下記に示す膜の水リンス処理後の残膜率測定において残膜率が80%以上である層である有機光電変換素子の製造方法。
    <水リンス処理後の残膜率測定方法>
    一辺1インチの正方形の基板上に、有機光電変換素子において正孔注入層として成膜する場合と同等の膜厚となるようにスピンコートにより塗布成膜した後、前記膜上にメニスカス状に水を載せ、30秒静置後、4000rpmでスピンさせて水を振り切ることで水リンス処理を行う。水リンス処理前後の膜厚を触針式膜厚計で測定し、水リンス処理後の膜厚/水リンス処理前の膜厚×100(%)を水リンス処理後の残膜率とする。
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