WO2010101241A1 - 有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイ - Google Patents

有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイ Download PDF

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WO2010101241A1
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layer
photoelectric conversion
group
semiconductor material
conversion element
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大久保　康
野島　隆彦
伊東　宏明
晃矢子 和地
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コニカミノルタホールディングス株式会社
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    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/20—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the present invention relates to an organic photoelectric conversion element, a solar cell, and an optical sensor array. More specifically, the present invention relates to a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical array sensor.
  • an electron donor layer p-type semiconductor layer
  • an electron acceptor layer p-type semiconductor layer
  • a bulk heterojunction photoelectric conversion element sandwiching a photoelectric conversion layer mixed with an n-type semiconductor layer (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • these bulk heterojunction solar cells are formed by a coating process except for the anode and cathode, it is expected that they can be manufactured at high speed and at low cost, and may solve the above-mentioned problem of power generation cost. There is. Furthermore, unlike the above Si-based solar cells, compound semiconductor-based solar cells, dye-sensitized solar cells, etc., there is no process at a temperature higher than 160 ° C., so it is expected that it can be formed on a cheap and lightweight plastic substrate. Is done.
  • Non-Patent Document 1 in order to efficiently absorb the solar spectrum, a long wavelength is used. By using an organic polymer capable of absorbing up to 5%, conversion efficiency exceeding 5% has been achieved.
  • Means for improving the internal quantum efficiency include (1) increasing the exciton diffusion length of the organic semiconductor material, and (2) reducing the probability that charge-separated holes and electrons recombine before reaching the electrode. Can be considered.
  • a material having a high carrier mobility is required, and in order to reduce the recombination probability, a block layer is provided in order to improve rectification, or p ⁇ an i-n structure
  • a photoelectric conversion layer is a p-layer made of a p-type semiconductor material alone, an i-layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed, and an n-layer laminated structure made of an n-type semiconductor alone.
  • a method and the like are known, and by such a technique, an improvement in the fill factor (generally described as FF) of the photoelectric conversion element is obtained, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
  • Patent Document 1 an organic photoelectric conversion element having a pin structure using various semiconductor materials having different mobilities is also disclosed, but one having a higher mobility than a certain value is preferably used. There is no description about the mobility of each layer. In addition, it is manufactured by combining vapor deposition and coating to create a laminated structure, and the cost advantage is lost by using a vapor deposition method with a slow film forming speed, and all layers are coated with high cost advantage. There is no mention of a technical method for manufacturing by the method.
  • a heat conversion type semiconductor material as disclosed in Patent Document 2 is disclosed, and by using a material that can be insolubilized after coating a p-type semiconductor material.
  • a photoelectric conversion layer can be stacked by a coating method, no means for coating and stacking is disclosed for n-type semiconductor materials, particularly fullerene derivatives that give high photoelectric conversion efficiency.
  • the conversion efficiency is still insufficient, and the development of an organic photoelectric conversion element with higher photoelectric conversion efficiency has been an issue.
  • This invention is made
  • the objective is the organic photoelectric conversion element which has high rectification property (curve factor), the organic photoelectric conversion element with high photoelectric conversion efficiency, Furthermore, this organic photoelectric conversion element It is to provide a solar cell and an optical array sensor using the above.
  • An organic photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer including an i layer composed of a layer in which a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material are mixed, and an n layer composed of an n-type organic semiconductor material alone between the cathode and the anode.
  • the n-type organic semiconductor material of the n layer has a higher carrier mobility than the n-type organic semiconductor material of the i layer.
  • R 1 and R 2 represent a substituent selected from a substituted or unsubstituted alkyl group, a cycloalkyl group, an aralkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and a silyl group
  • L 1 and L 2 are substituted or Unsubstituted alkylene group, alkenediyl group, alkynediyl group, cycloalkylene group, arylene group, heteroarylene group, silylene group, ether group, thioether group, carbonyl group, carboxyl group, amino group, amide group, or a combination of these G 1 and G 2 are polymerized groups that form a bonding chain of a three-dimensional network structure, where only one hemisphere portion of the spherical fullerene structure is shown, and the other hemisphere portion is omitted.
  • the photoelectric conversion layer is a p-layer made of a p-type organic semiconductor material alone, an i-layer made of a layer in which a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material are mixed, and an n-layer made of an n-type organic semiconductor material alone. 7.
  • the organic photoelectric conversion element as described in any one of 1 to 6 above, which has a pin structure in which layers are stacked.
  • the i layer is composed of 2 to 5 layers, and at least one of the p-type organic semiconductor material and the n-type organic semiconductor material contained in the i layer is formed of a different material in each layer. 10.
  • the organic photoelectric conversion element as described in any one of 1 to 9 above.
  • a solar cell comprising the organic photoelectric conversion device as described in any one of 1 to 11 above.
  • an organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical array sensor could be provided.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a conventional organic photoelectric conversion element.
  • an anode usually a transparent electrode
  • a photoelectric conversion layer 14 is deposited on one surface of a substrate 11, and has a hole transport layer 17, a photoelectric conversion layer 14, an electron transport layer 18, and a cathode (approximately the same area).
  • metal electrodes 13 are sequentially stacked.
  • the holes and electrons generated in the photoelectric conversion layer 14 can be obtained by taking them out to the anode and the cathode, respectively. However, since they are conducted in the opposite direction, the hole transport layer 17 is easy to flow holes. Is interposed between the photoelectric conversion layer 14 and the anode 12, and an electron transport layer 18 that easily allows electrons to flow is sandwiched between the photoelectric conversion layer 14 and the cathode 13, thereby improving the rectification property and improving the photoelectric conversion efficiency. .
  • FIG. 2 shows a so-called “pi-in” three-layer structure.
  • a normal bulk heterojunction layer is a single i layer 14i in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor layer are mixed, but a p-layer 14p made of a single p-type semiconductor material and an n-type made of a single n-type semiconductor material.
  • the rectifying property of holes and electrons is further increased, loss due to recombination of charge-separated holes and electrons is reduced, and an attempt is made to obtain higher photoelectric conversion efficiency.
  • n-type semiconductor materials such as a three-layer structure of pin or a two-layer structure of in.
  • the n-type semiconductor material by designing the n-type semiconductor material so that the mobility of the n-type semiconductor material is closer to that of the cathode, higher rectification (curve factor) and photoelectric conversion efficiency can be obtained.
  • the mobility of the n-type semiconductor material in the layer closest to the cathode is higher. It is preferable to design to.
  • a method of sequentially laminating by a dry process such as vapor deposition 2) A method of depositing a first layer by coating and then laminating the second and subsequent layers by a dry process such as vapor deposition 3) First layer After the film is formed by coating, the second and subsequent layers are coated and formed using a solvent that does not dissolve the first layer. 4) After the first layer is formed by coating, heat, light, etc. Method of applying the second and subsequent layers after changing the solubility of the first layer by applying energy Among these methods, the method using the difference in solubility, such as 3), is applied to the first layer. It is necessary to use a compound having a significantly different chemical structure in the second layer. The method of forming a laminated structure using a material whose solubility can be changed after the first layer is applied as in 4) is preferable because of its wide material selectivity.
  • the mobility is an index representing the speed of carrier diffusion, and the larger the value, the better the carrier diffusable distance, and the higher the photoelectric conversion efficiency.
  • the time-of-flight method Conjugated Polymers: Processing and Applications (Handbook of Conducting Polymers) (3RD) (Skotheim, Terge Re. Photo-CELIV method as described in JP-A No. 2005-158972, and a method for producing and evaluating a field effect transistor (FET method) as disclosed in JP-A-2005-158972.
  • the time-of-flight method needs to form a thick film of about 1 ⁇ m, and it is difficult to form a film by a coating method.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a solar cell including an organic photoelectric conversion element including a tandem photoelectric conversion layer.
  • the transparent electrode 12 and the first photoelectric conversion unit 20 are sequentially stacked on the substrate 11, the charge recombination layer 15 is stacked, the second photoelectric conversion unit 21, and then the counter electrode 13.
  • the second photoelectric conversion unit 21 may be a layer that absorbs the same spectrum as the absorption spectrum of the first photoelectric conversion unit 20 or may be a layer that absorbs a different spectrum, but is preferably a layer that absorbs a different spectrum. .
  • the n-type semiconductor material used in the bulk heterojunction layer of the present invention is not particularly limited.
  • a perfluoro compound perfluoro compound in which hydrogen atoms of a p-type semiconductor such as fullerene and octaazaporphyrin are substituted with fluorine atoms. Pentacene, perfluorophthalocyanine, etc.), naphthalenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide and other aromatic carboxylic acid anhydrides and imidized compounds thereof. Examples thereof include molecular compounds.
  • Fullerene derivatives that can perform charge separation efficiently with various p-type semiconductor materials at high speed (about 50 femtoseconds).
  • Fullerene derivatives include fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, mixed fullerene, fullerene nanotubes, multi-walled nanotubes, single-walled nanotubes, nanohorns (conical), and the like.
  • PCBM [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester
  • PCBnB [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n-butyl ester
  • PCBiB [6,6] -phenyl C61-buty Rick acid-isobutyl ester
  • PCBH [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n-hexyl ester
  • PCBM Adv. Mater. , Vol. 20 (2008), p2116 and the like
  • bis-PCBM aminated fullerene such as JP-A-2006-199674, metallyated fullerene such as JP-A-2008-130889 and the like. It is preferable to use a fullerene derivative having improved solubility.
  • the first layer is preferably a material whose solubility can be changed (insolubilized) after coating.
  • materials include fullerenes having a cyclic ether group as described in US Pat. No. 7,329,709, and thermally decomposable fullerene derivatives as described in JP-A-2008-280323. More preferably, it is a compound that three-dimensionally polymerizes and crosslinks. Examples of the compound that three-dimensionally polymerizes and crosslinks include compounds having a plurality of polymerizable functional groups.
  • a compound that forms such a three-dimensional network structure can form a highly rigid n-type carrier path structure, and prevents the phase separation structure of the p-type layer and the n-type layer from changing over time.
  • An organic photoelectric conversion element having high durability can be obtained. More specifically, the material is represented by the general formula (1).
  • R 1 and R 2 represent a substituent selected from a substituted or unsubstituted alkyl group, cycloalkyl group, aralkyl group, aryl group, heteroaryl group, and silyl group
  • L 1 , L 2 Is a substituted or unsubstituted alkylene group, alkenediyl group, alkynediyl group, cycloalkylene group, arylene group, heteroarylene group, silylene group, ether group, thioether group, carbonyl group, carboxyl group, amino group, amide group, or these Represents a structure in which multiple units are connected.
  • G 1 and G 2 are polymerized groups that become a bond chain of a three-dimensional network structure. Examples thereof include a vinyl group, a vinyl ether group, a styryl group, an acetylene group, an epoxy group, an oxetane group, an ethyleneimine group, and a cycloalkenyl group.
  • a vinyl group a vinyl ether group
  • a styryl group a styryl group
  • an acetylene group an epoxy group
  • an oxetane group an ethyleneimine group
  • a cycloalkenyl group In the formula, only one hemispherical portion of the spherical fullerene structure is shown, the other hemispherical portion is omitted, and a first substituent containing G 1 , R 1 , and L 1 substituted for the fullerene structure; positional relationship between the second substituent comprising G 2, R 2, L 2 is optional.
  • compounds that are vinyl groups are preferable as the polymerizable groups (G 1 and G 2 in the general formula (2)) that do not generate a functional group that becomes a carrier trap after the polymerization crosslinking reaction.
  • a three-dimensional network structure can be formed by causing a polymerization cross-linking reaction by the above method.
  • a polymerization initiator that causes a polymerization initiation reaction by heat, light, radiation, or the like may be mixed in advance.
  • the low molecular compound is a compound having no distribution in the molecular weight of the compound.
  • the polymer compound means an aggregate of compounds having a certain molecular weight distribution by reacting a predetermined monomer.
  • a compound having a molecular weight of 2000 or less is classified as a low molecular compound. More preferably, it is 1500 or less, More preferably, it is 1000 or less.
  • a compound having a molecular weight of 2000 or more, more preferably 3000 or more, and further preferably 5000 or more is classified as a polymer compound.
  • the molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC).
  • GPC gel permeation chromatography
  • Examples of the p-type semiconductor material used for the power generation layer (bulk heterojunction layer) of the present invention include various condensed polycyclic aromatic low molecular compounds and conjugated polymers.
  • condensed polycyclic aromatic low molecular weight compound examples include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, circumanthanthene, bisanthene, zeslene.
  • Examples of the derivative having the above condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A.
  • conjugated polymer examples include polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and oligomers thereof, or a polymerizable group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, a polythiophene-thienothiophene copolymer described in p328, a polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO08 / 000664, Adv. Mater, 2007, p4160, polythiophene-thiazolothiazole copolymer, Nature Mat. vol.
  • P3HT poly-3-hexylthiophene
  • polypyrrole and its oligomer polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Examples thereof include polymer materials such as ⁇ -conjugated polymers such as polysilane and polygermane.
  • oligomeric materials not polymer materials, include thiophene hexamer ⁇ -seccithiophene ⁇ , ⁇ -dihexyl- ⁇ -sexualthiophene, ⁇ , ⁇ -dihexyl- ⁇ -kinkethiophene, ⁇ , ⁇ -bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) - ⁇ -sexithiophene can be preferably used.
  • the p-type material has a higher mobility as the anode is closer to the anode due to the laminated structure.
  • the p-type material can be insolubilized after being applied by a solution process. Any material may be used.
  • Such materials include materials that can be insolubilized by polymerizing the coating film after coating, such as polythiophene having a polymerizable group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Or a material in which soluble substituents react and become insoluble (pigmented) by applying energy such as heat, as described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-16834 Etc. Of these, porphyrin compounds such as those described in JP-A-2008-16834 and the like that improve mobility after insolubilization are preferable.
  • the hole transport layer is made of a hole transport material having a function of transporting holes, and in a broad sense, a hole injection layer and an electron blocking layer are also included in the hole transport layer.
  • the hole transport layer can be provided as a single layer or a plurality of layers.
  • the hole transport material has either hole injection or transport or electron barrier properties, and may be either organic or inorganic.
  • triazole derivatives oxadiazole derivatives, imidazole derivatives, polyarylalkane derivatives, pyrazoline derivatives and pyrazolone derivatives, phenylenediamine derivatives, arylamine derivatives, amino-substituted chalcone derivatives, oxazole derivatives, styrylanthracene derivatives, fluorenone derivatives, hydrazone derivatives
  • Examples thereof include stilbene derivatives, silazane derivatives, aniline copolymers, and conductive polymer oligomers, particularly thiophene oligomers.
  • the above-mentioned materials can be used as the hole transport material, but it is preferable to use a porphyrin compound, an aromatic tertiary amine compound and a styrylamine compound, particularly an aromatic tertiary amine compound.
  • a polymer material in which these materials are introduced into a polymer chain or these materials are used as a polymer main chain can also be used.
  • inorganic compounds such as p-type-Si, p-type-SiC, nickel oxide, and molybdenum oxide can also be used as the hole injection material and the hole transport material.
  • JP-A-11-251067, J. Org. Huang et. al. A so-called p-type hole transport material described in a book (Applied Physics Letters, 80 (2002), p. 139) can also be used. In the present invention, it is preferable to use these materials because a light-emitting element with higher efficiency can be obtained.
  • the film thickness of the hole transport layer is not particularly limited, but is usually about 5 nm to 5 ⁇ m, preferably 5 to 200 nm.
  • the hole transport layer may have a single layer structure composed of one or more of the above materials.
  • a hole transport layer having a high p property doped with impurities examples thereof include JP-A-4-297076, JP-A-2000-196140, 2001-102175, J.A. Appl. Phys. 95, 5773 (2004), and the like.
  • a hole transport layer having such a high p property because a device with lower power consumption can be produced.
  • the electron transport layer is made of a material having a function of transporting electrons, and in a broad sense, an electron injection layer and a hole blocking layer are also included in the electron transport layer.
  • the electron transport layer can be provided as a single layer or a plurality of layers.
  • the electron transport material also serving as a hole blocking material used for the electron transport layer adjacent to the cathode side with respect to the photoelectric conversion layer was injected from the cathode.
  • Any material can be used as long as it has a function of transferring electrons to the photoelectric conversion layer, and any material known in the art can be selected and used.
  • fluorene derivatives diphenylquinone derivatives Thiopyrandioxide derivatives, carbodiimides, fluorenylidenemethane derivatives, anthraquinodimethane and anthrone derivatives, oxadiazole derivatives and the like.
  • a thiadiazole derivative in which the oxygen atom of the oxadiazole ring is substituted with a sulfur atom, or a quinoxaline derivative having a quinoxaline ring known as an electron withdrawing group can also be used as an electron transport material.
  • a polymer material in which these materials are introduced into a polymer chain or these materials are used as a polymer main chain can also be used.
  • metal complexes of 8-quinolinol derivatives such as tris (8-quinolinol) aluminum (Alq 3 ), tris (5,7-dichloro-8-quinolinol) aluminum, tris (5,7-dibromo-8-quinolinol) Aluminum, tris (2-methyl-8-quinolinol) aluminum, tris (5-methyl-8-quinolinol) aluminum, bis (8-quinolinol) zinc (Znq), etc.
  • Mg Metal complexes replaced with Cu, Ca, Sn, Ga, or Pb can also be used as electron transport materials.
  • metal-free or metal phthalocyanine or those having terminal ends substituted with an alkyl group or a sulfonic acid group can be preferably used as the electron transporting material.
  • the distyrylpyrazine derivative exemplified as the material of the photoelectric conversion layer can also be used as an electron transport material, and similarly to the hole injection layer and the hole transport layer, inorganic semiconductors such as n-type-Si and n-type-SiC Can also be used as an electron transporting material.
  • the thickness of the electron transport layer is not particularly limited, but is usually about 5 nm to 5 ⁇ m, preferably 5 to 200 nm.
  • the electron transport layer may have a single layer structure composed of one or more of the above materials.
  • an electron transport layer having a high n property doped with impurities examples thereof include JP-A-4-297076, JP-A-10-270172, JP-A-2000-196140, 2001-102175, J.A. Appl. Phys. 95, 5773 (2004), and the like.
  • an electron transport layer having such a high n property because an element with lower power consumption can be produced.
  • n-type conductive inorganic oxides titanium oxide, zinc oxide, etc.
  • titanium oxide titanium oxide, zinc oxide, etc.
  • injection layer electron injection layer, hole injection layer
  • the injection layer is provided as necessary, and there are an electron injection layer and a hole injection layer, and as described above, between the anode and the power generation layer or the hole transport layer and between the cathode and the power generation layer or the electron transport layer. May be.
  • the injection layer is a layer provided between the electrode and the organic layer in order to reduce the resistance of the interface between the organic layer and the electrode.
  • the organic electroluminescence element and its industrialization front line June 30, 1998 Chapter 2 “Electrode materials” (pages 123 to 166) of Volume 2 of “TS Co., Ltd.”) is described in detail.
  • the surface light emitting device has at least a transparent electrode and a counter electrode. In the present invention, either of them is formed by the above-described forming method. Further, when a tandem configuration is adopted, the tandem configuration can be achieved by using an intermediate electrode. The structure of a preferable transparent electrode and a counter electrode is described below.
  • the transparent electrode and the counter electrode are the names of the electrodes expressed from the function of whether or not there is translucency.
  • the electrodes through which holes mainly flow are used when the electrodes are classified according to the type of carrier flow.
  • the electrode through which electrons mainly flow is called the anode, and it is called the cathode.
  • an electrode material made of a metal, an alloy, an electrically conductive compound, or a mixture thereof having a high work function is preferably used.
  • electrode substances include metal thin films such as gold, silver, and platinum, or conductive / light-transmissive materials such as nanoparticle / nanowire layers, indium tin oxide (ITO), SnO 2 , and ZnO, and Examples include conductive polymers.
  • ITO indium tin oxide
  • SnO 2 , and ZnO examples include conductive polymers.
  • a material such as IDIXO (In 2 O 3 —ZnO) that can form an amorphous light-transmitting conductive film may be used.
  • the sheet resistance as the anode is preferably several hundred ⁇ / ⁇ or less. Further, although the film thickness depends on the material, it is usually selected in the range of 10 to 1000 nm, preferably 100 to 200 nm.
  • the counter electrode a material having a low work function metal (referred to as an electron injecting metal), an alloy, an electrically conductive compound, and a mixture thereof as an electrode material is used.
  • electrode materials include sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, magnesium / copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) Mixtures, indium, lithium / aluminum mixtures, rare earth metals and the like.
  • a mixture of an electron injecting metal and a second metal which is a stable metal having a larger work function than this for example, a magnesium / silver mixture, Magnesium / aluminum mixtures, magnesium / indium mixtures, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixtures, lithium / aluminum mixtures, aluminum and the like are preferred.
  • the sheet resistance as a counter electrode is preferably several hundred ⁇ / ⁇ or less, and the film thickness is usually selected in the range of 10 nm to 5 ⁇ m, preferably 50 to 200 nm.
  • the intermediate electrode material required for the tandem structure is preferably a layer using a compound having both transparency and conductivity, and transparent metal oxides such as ITO, AZO, FTO, and titanium oxide.
  • transparent metal oxides such as ITO, AZO, FTO, and titanium oxide.
  • a very thin metal layer such as Ag, Al, Au or the like, a layer containing nanoparticles / nanowires, a conductive polymer material such as PEDOT: PSS, polyaniline, or the like is preferable.
  • sealing means used for sealing the organic electroluminescent element of the present invention include a method of bonding a sealing member, an electrode, and a support substrate with an adhesive.
  • the sealing member may be disposed so as to cover the display region of the organic electroluminescent element, and may be concave or flat. Moreover, transparency and electrical insulation are not particularly limited.
  • a polymer film and a metal film can be preferably used because the element can be thinned.
  • the polymer film preferably has an oxygen permeability of 10 ⁇ 3 g / m 2 / day or less and a water vapor permeability of 10 ⁇ 3 g / m 2 / day or less.
  • the water vapor permeability and oxygen permeability are more preferably 10 ⁇ 5 g / m 2 / day or less.
  • a method of spin-coating an organic polymer material (polyvinyl alcohol, etc.) having a high gas barrier property a method of depositing an inorganic thin film (silicon oxide, aluminum oxide, etc.) or an organic film (parylene, etc.) having a high gas barrier property under vacuum, Also, a method of laminating these in a composite manner or the like can be used.
  • An optical sensor array is produced by arranging organic photoelectric conversion elements in a fine pixel shape by utilizing the fact that the organic photoelectric conversion elements generate current upon receiving light, and electrically projecting an image projected on the optical sensor array. It is a sensor having an effect of converting into a signal.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the optical sensor array. 4A is a top view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 4A.
  • an optical sensor array 30 is paired with a transparent electrode 32 as a lower electrode, a photoelectric conversion unit 34 for converting light energy into electric energy, and a transparent electrode 32 on a substrate 31 as a holding member.
  • the counter electrode 33 is sequentially laminated.
  • the photoelectric conversion unit 34 includes two layers of a photoelectric conversion layer 34b having a photoelectric conversion layer obtained by mixing a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, and a buffer layer 34a. In the example shown in FIG. 4, six organic photoelectric conversion elements are formed.
  • the substrate 31, the transparent electrode 32, the photoelectric conversion layer 34b, and the counter electrode 33 have the same configuration and role as the substrate 11, the anode 12, the photoelectric conversion layer 14, and the cathode 13 in the organic photoelectric conversion element described above. .
  • the substrate 31 glass is used for the substrate 31, ITO is used for the transparent electrode 32, and aluminum is used for the counter electrode 33, for example.
  • the BP-1 precursor is used for the p-type semiconductor material of the photoelectric conversion layer 34b, and for example, a polymerized cross-linked product of the exemplary compound 1 is used for the n-type semiconductor material.
  • the buffer layer 34a is made of PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene) -PSS (polystyrene sulfonic acid) conductive polymer (trade name BaytronP, manufactured by Stark Vitec).
  • PEDOT poly-3,4-ethylenedioxythiophene
  • PSS polystyrene sulfonic acid
  • An ITO film was formed on the glass substrate by sputtering and processed into a predetermined pattern shape by photolithography.
  • the thickness of the glass substrate was 0.7 mm
  • the thickness of the ITO film was 200 nm
  • the measurement area (light receiving area) of the ITO film after photolithography was 5 mm ⁇ 5 mm.
  • a BP-1 precursor was mixed with a chlorobenzene solvent at 6: 5, and a mixed solution obtained by ultrasonically stirring (5 minutes) was used.
  • annealing was performed by heating in an oven at 180 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere.
  • the thickness of the mixed film of BP-1 and the crosslinked polymer of Compound Example 1 after the annealing treatment was 70 nm.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the optical sensor array 30 was produced as described above.
  • the manufactured photosensor array 30 having 2 rows ⁇ 3 columns of pixels is irradiated with light so that only two pixels in the center column are exposed to light, and the 6 pixels are sequentially set between ⁇ 0.
  • the current value was read by applying a voltage of 5 V, the current was observed only in the pixels that were exposed to light, and no current flowed in the pixels that were not exposed to light. Therefore, it was confirmed that the photosensor array 30 operates as a photosensor.
  • BP-1 precursor and its metal complex are described in Chemical Communications, vol. 22 (1999), p2275, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-16834.
  • Phenyl-C61-glycidyl butyrate (PCBG) is also available from Adv. Mater. , Vol. 20 (2008), p2116.
  • the substrate having the source / drain electrode pattern was washed with acetone / isopropanol, and then dry-cleaned at 70 ° C. for 10 minutes using a UV ozone cleaner UV-1 manufactured by SAMCO.
  • PFBT pentafluorobenzenethiol
  • the substrate that had been dry-cleaned was set in a vacuum chamber, and then the pressure in the chamber was reduced to 2 Torr at room temperature. At this point, the valve connected to the container containing PFBT was opened, and PFBT vapor was introduced into the chamber for 5 minutes. Next, the valve connected to the PFBT was closed, nitrogen purge and decompression were repeated several times, the chamber was returned to atmospheric pressure, the substrate was taken out, and washed with ethanol several times.
  • HMDS hexamethyldisilazane
  • the target organic semiconductor material was dissolved in chlorobenzene at a concentration of 2.0 mass%, and this solution was spin-coated at 1200 rpm for 30 seconds to form an organic semiconductor layer. Thereafter, heat treatment was performed at 160 ° C. for 30 minutes. By this treatment, the heat conversion type materials (BP-1 precursor, Cu-BP precursor, Ni-BP precursor, and 13,6-N-sulfinylacetamidopentacene manufactured by Aldrich) are converted into predetermined organic semiconductor materials. Converted.
  • Example 2 [Evaluation of two-layer organic photoelectric conversion device] (Preparation of organic photoelectric conversion element 1) An indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited on a glass substrate with a thickness of 110 nm (sheet resistance 13 ⁇ / ⁇ ) is patterned to a width of 2 mm using a normal photolithography technique and hydrochloric acid etching, and transparent An electrode (anode) was formed.
  • ITO indium tin oxide
  • the patterned transparent electrode was cleaned in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning for 10 minutes.
  • PEDOT: PSS (Baytron P4083, manufactured by Starck Vitec), which is a conductive polymer, was spin-coated to a dry film thickness of 30 nm, and then dried by heating at 140 ° C. for 10 minutes in the atmosphere. .
  • the substrate was brought into the glove box and worked in a nitrogen atmosphere.
  • the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere.
  • BP-1 precursor of type semiconductor material was converted to BP-1 (Mw511, low molecular p-type semiconductor material, molecular weight decreased to about 5/6 before and after conversion) to obtain i layer.
  • the substrate provided up to the i layer was transferred to a vapor deposition machine without being exposed to the atmosphere, and the pressure was reduced to 4 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa.
  • Aldrich's Batocuproine (BCP) and aluminum were put into the resistance heating boat made from tantalum, and the resistance heating boat made from tungsten, and it attached in the vapor deposition machine.
  • a tantalum resistance heat boat was energized and heated to provide a 6 nm BCP electron transport layer on the substrate.
  • a tungsten tantalum heating boat was energized and heated, and a cathode made of aluminum was deposited at a film thickness of 100 nm and a width of 2 mm so as to be orthogonal to the transparent conductive film at a deposition rate of 1 to 2 nm / second.
  • the obtained organic photoelectric conversion element 1 was sealed using an aluminum can and a UV curable resin in a nitrogen atmosphere.
  • Photoelectric conversion elements prepared above was irradiated with light having an intensity of 100 mW / cm 2 solar simulator (AM1.5G filter), a superposed mask in which the effective area 4.0 mm 2 on the light receiving portion, the short circuit current density Jsc ( The four light receiving portions formed on the same element were measured for mA / cm 2 ), the open circuit voltage Voc (V), and the fill factor FF, and the average value was obtained. Further, the photoelectric conversion efficiency ⁇ (%) was obtained from Jsc, Voc, and FF according to Equation 1.
  • the organic photoelectric conversion element having the layer structure of the present invention is excellent in the fill factor and photoelectric conversion efficiency.
  • Example 3 Evaluation of multilayer organic photoelectric conversion devices.
  • BP-1 precursor was dissolved in chlorobenzene at 0.5 mass% as a p layer was filtered through a 0.45 ⁇ m filter.
  • spin coating was performed to a film thickness of 25 nm, and heating was performed at 180 ° C. for 20 minutes to convert the BP-1 precursor into BP-1, thereby obtaining a p layer.
  • a liquid in which BP-1 precursor and PCBM are mixed in a ratio of 1.2% by mass: 1.0% by mass to chlorobenzene is prepared, and the film thickness is adjusted to 100 nm while filtering through a filter.
  • Spin coat leave at room temperature for 30 minutes, and then heat at 160 ° C. for 30 minutes to convert BP-1 precursor of p-type semiconductor material to BP-1 (molecular weight is reduced to about 5/6 before and after conversion) ), I layer was obtained.
  • the substrate provided up to the i layer was moved to a vapor deposition machine without being exposed to the atmosphere, and the pressure was reduced to 4 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa.
  • Aldrich's Batocuproine (BCP) and aluminum were placed in a resistance heating boat made of tantalum and a resistance heating boat made of tungsten, and mounted in a vapor deposition machine.
  • a tantalum resistance heat boat was energized and heated to provide a 6 nm BCP electron transport layer on the substrate.
  • a tungsten tantalum heating boat was energized and heated, and a cathode made of aluminum was deposited at a film thickness of 100 nm and a width of 2 mm so as to be orthogonal to the transparent conductive film at a deposition rate of 1 to 2 nm / second.
  • the obtained organic photoelectric conversion element 11 was sealed using an aluminum can and a UV curable resin in a nitrogen atmosphere.
  • organic photoelectric conversion elements 12 to 15 were produced in the same manner as the organic photoelectric conversion element 11 except that the materials of the p layer, i layer, and n layer were changed to the compounds shown in Table 3. did.
  • a liquid in which BP-1 precursor and Exemplified Compound 1 are mixed in chlorobenzene so as to be 1.6% by mass: 0.67% by mass is prepared, and the film thickness is adjusted to 100 nm while filtering through a filter. Spin coating was performed, and the mixture was allowed to stand at room temperature for 30 minutes and then heated at 160 ° C. for 30 minutes to convert the BP-1 precursor of the p-type semiconductor material into BP-1 (with a molecular weight of about 5 / 1) layer was obtained.
  • a liquid in which BP-1 precursor and Exemplified Compound 1 are mixed in chlorobenzene so as to be 0.8% by mass: 1.33% by mass is prepared, and the film thickness is adjusted to 100 nm while filtering through a filter. Spin coating was performed, and the mixture was allowed to stand at room temperature for 30 minutes and then heated at 160 ° C. for 30 minutes to convert the BP-1 precursor of the p-type semiconductor material into BP-1 (with a molecular weight of about 5 / 6)) to obtain a second i layer.
  • the substrate provided up to the second i layer was moved to a vapor deposition machine without being exposed to the atmosphere, and the pressure was reduced to 4 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa.
  • Aldrich's Batocuproine (BCP) and aluminum were placed in a resistance heating boat made of tantalum and a resistance heating boat made of tungsten, and mounted in a vapor deposition machine.
  • a tantalum resistance heat boat was energized and heated to provide a 6 nm BCP electron transport layer on the substrate.
  • a tungsten tantalum heating boat was energized and heated, and a cathode made of aluminum was deposited at a film thickness of 100 nm and a width of 2 mm so as to be orthogonal to the transparent conductive film at a deposition rate of 1 to 2 nm / second.
  • the obtained organic photoelectric conversion element 16 was sealed using an aluminum can and a UV curable resin in a nitrogen atmosphere.
  • the obtained organic photoelectric conversion elements 11 to 17 were evaluated for the fill factor and conversion efficiency in the same manner.
  • Table 3 shows the evaluation results.
  • the organic photoelectric conversion element having the layer structure of the present invention is excellent in the fill factor and photoelectric conversion efficiency.
  • Photoelectric conversion element 11 Substrate 12 Anode (first electrode, transparent electrode) 13 Cathode (second electrode, counter electrode) 14 photoelectric conversion layer 14p p-type semiconductor layer (p layer) 14i p-type semiconductor and n-type semiconductor mixed layer (i layer) 14n n-type semiconductor layer (n layer) DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Charge recombination layer 17 Hole transport layer 18 Electron transport layer 20 1st photoelectric conversion part 21 2nd photoelectric conversion part 30 Photosensor array

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Abstract

　本発明は、光電変換効率の高い有機光電変換素子、この有機光電変換素子を用いた太陽電池及び光アレイセンサを提供する。この有機光電変換素子は、陰極と陽極の間に、ｐ型有機半導体材料及びｎ型有機半導体材料が混在した層からなるｉ層、ｎ型有機半導体材料単独からなるｎ層を含有する光電変換層を有する有機光電変換素子であって、前記ｎ層のｎ型有機半導体材料のキャリア移動度が、前記ｉ層のｎ型有機半導体材料のキャリア移動度より高いことを特徴とする。

Description

有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイ
　本発明は、有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイに関し、さらに詳しくは、バルクへテロジャンクション型の有機光電変換素子、この有機光電変換素子を用いた太陽電池及び光アレイセンサに関する。
　近年の化石エネルギーの高騰によって、自然エネルギーから直接電力を発電できるシステムが求められており、単結晶、多結晶、アモルファスのＳｉを用いた太陽電池、ＧａＡｓやＣＩＧＳ等の化合物系の太陽電池、あるいは色素増感型光電変換素子（グレッツェルセル）等が提案、実用化されている。
　しかしながら、これらの太陽電池で発電するコストは未だ化石燃料を用いて発電、送電される電気の価格よりも高いものとなっており、普及の妨げとなっていた。また、基板に重いガラスを用いなければならないため、設置時に補強工事が必要であり、これらも発電コストが高くなる一因であった。
　このような状況に対し、化石燃料による発電コストよりも低い発電コストを達成しうる太陽電池として、透明電極と対電極との間に電子供与体層（ｐ型半導体層）と電子受容体層（ｎ型半導体層）とが混合された光電変換層を挟んだバルクへテロジャンクション型光電変換素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
　これらのバルクへテロジャンクション型太陽電池においては、陽極、陰極以外は塗布プロセスで形成されているため、高速かつ安価な製造が可能であると期待され、前述の発電コストの課題を解決できる可能性がある。さらに、上記のＳｉ系太陽電池、化合物半導体系太陽電池、色素増感太陽電池等と異なり、１６０℃より高温のプロセスがないため、安価かつ軽量なプラスチック基板上への形成も可能であると期待される。
　なお発電コストには、初期の製造コスト以外にも発電効率及び素子の耐久性も含めて算出されなければならないが、前記非特許文献１では、太陽光スペクトルを効率よく吸収するために、長波長まで吸収可能な有機高分子を用いることによって、５％を超える変換効率を達成するに至っている。
　これらの素子は４００～９００ｎｍといった幅広い波長の光を吸収することで高効率の変換効率を達成しているものの、ＩＰＣＥスペクトルから読み取れる内部量子効率は、未だ５０～６０％であり、太陽光を十分高い効率で利用しているとは言えず、逆に言えばこの内部量子効率を向上していくことでより高い光電変換効率を達成できるものと推定される。
　内部量子効率を向上させる手段としては、（１）有機半導体材料の励起子拡散長を長くする、（２）電荷分離した正孔、電子が電極到達前に再結合する確率を低減させる等の方法が考えられる。
　具体的には、励起子拡散長を長くするためには高キャリア移動度の材料が必要であり、また再結合確率を低減するには、整流性を高めるためにブロック層を設けたり、ｐ－ｉ－ｎ構造（光電変換層をｐ型半導体材料単体からなるｐ層、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料が混合されたｉ層、ｎ型半導体単体からなるｎ層の積層構造）としたりする方法等が知られ、このような手法によって光電変換素子の曲線因子（一般的にＦＦと記載される）の向上が得られて光電変換効率を向上することができる。なお特許文献１において、移動度の異なる各種の半導体材料を用いたｐ－ｉ－ｎ構造の有機光電変換素子も開示されているが、一定の値よりも高移動度のものを用いることが良いと述べているだけであり、各層の移動度についての記載は一切ない。また、積層構造を作るために蒸着と塗布を組み合わせて作製しており、製膜速度の遅い蒸着法を用いることでコスト的な優位性が失われており、全層をコスト優位性の高い塗布法によって作製することに対する技術的な方法についてもなんら記載がない。
　また、このような塗布プロセスでありながら積層構造を達成する手段として、特許文献２のような熱変換型の半導体材料が開示されており、ｐ型半導体材料を塗布後に不溶化できる材料を用いることで塗布法によって光電変換層の積層が可能であることが示されているが、ｎ型半導体材料、中でも高い光電変換効率を与えるフラーレン誘導体に関しては塗布積層の手段が開示されていない。また、いまだ変換効率は不十分なものに留まっており、一層光電変換効率の高い有機光電変換素子の開発が課題となっていた。
欧州特許出願公開第１９１２２６７号明細書 特開２００８－１６８３４号公報
Ｎａｔｕｒｅ　Ｍａｔ．，ｖｏｌ．６（２００７），ｐ４９７
　本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高い整流性（曲線因子）を有する有機光電変換素子、及び光電変換効率の高い有機光電変換素子、さらにはこの有機光電変換素子を用いた太陽電池及び光アレイセンサを提供することにある。
　本発明の上記目的は、以下の構成により達成される。
　１．陰極と陽極の間に、ｐ型有機半導体材料及びｎ型有機半導体材料が混在した層からなるｉ層、ｎ型有機半導体材料単独からなるｎ層を含有する光電変換層を有する有機光電変換素子であって、前記ｎ層のｎ型有機半導体材料のキャリア移動度が、前記ｉ層のｎ型有機半導体材料のキャリア移動度より高いことを特徴とする有機光電変換素子。
　２．前記光電変換層が、溶液プロセスによって形成されることを特徴とする前記１に記載の有機光電変換素子。
　３．前記ｎ型有機半導体材料が、フラーレン誘導体であることを特徴とする前記１または２に記載の有機光電変換素子。
　４．前記フラーレン誘導体のうちの少なくとも１種が、重合可能なフラーレン誘導体であることを特徴とする前記３に記載の有機光電変換素子。
　５．前記フラーレン誘導体のうちの少なくとも１種が、三次元ネットワーク構造を形成していることを特徴とする前記３または４に記載の有機光電変換素子。
　６．前記三次元ネットワーク構造を形成しているフラーレン誘導体が、下記一般式（１）で表される構造を有するモノマーを重合架橋して得られた化合物であることを特徴とする前記５に記載の有機光電変換素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
（式中、Ｒ１、Ｒ２は置換または無置換のアルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、シリル基から選ばれる置換基を表し、Ｌ１、Ｌ２は置換または無置換のアルキレン基、アルケンジイル基、アルキンジイル基、シクロアルキレン基、アリーレン基、ヘテロアリーレン基、シリレン基、エーテル基、チオエーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基、またはこれらが複数連結した構造を表す。Ｇ１、Ｇ２は三次元ネットワーク構造の結合鎖となる重合基である。なお、式中、球状のフラーレン構造のうち一方の半球部分のみを示し、他方の半球部分は省略しており、フラーレン構造に置換するＧ１、Ｒ１、Ｌ１を含む第１置換基と、Ｇ２、Ｒ２、Ｌ２を含む第２置換基の位置関係は任意である。）
　７．前記光電変換層が、ｐ型有機半導体材料単独からなるｐ層、ｐ型有機半導体材料及びｎ型有機半導体材料が混在した層からなるｉ層、ｎ型有機半導体材料単独からなるｎ層、の３層が積層されたｐ－ｉ－ｎ構成を有することを特徴とする前記１～６のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
　８．前記ｐ型有機半導体材料のキャリア移動度が、陽極に近いほど高いことを特徴とする前記１～７のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
　９．前記ｐ型有機半導体材料が、ポルフィリン誘導体であることを特徴とする前記１～８のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
　１０．前記ｉ層が２～５層からなり、かつ、該ｉ層に含まれるｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料の質量比が、各層でそれぞれ異なることを特徴とする前記１～９のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
　１１．前記ｉ層が２～５層からなり、かつ、該ｉ層に含まれるｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料の少なくとも一方は、各層でそれぞれ異なる材料から形成されていることを特徴とする前記１～９のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
　１２．前記１～１１のいずれか１項に記載の有機光電変換素子を具備したことを特徴とする太陽電池。
　１３．前記１～１１のいずれか１項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されていることを特徴とする光センサアレイ。
　本発明により、光電変換効率の高い有機光電変換素子、この有機光電変換素子を用いた太陽電池及び光アレイセンサを提供することができた。
本発明の有機光電変換素子の断面図である。 本発明の好ましい有機光電変換素子の断面図である。 本発明のタンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。 光センサアレイの構成を示す図である。
　本発明者らは、上記課題に対して鋭意検討したところ、有機光電変換素子の変換効率が低いのは、正孔と電子の再結合、中でも陰極表面での再結合に起因していると推定した。このような陰極表面での再結合を避けるためには正孔をなるべく陰極表面に拡散させないことが有効と考えられ、陰極に近いほどキャリアの選択性が増す層構成、つまり陰極近傍ではｎ型半導体ドメインの方がキャリア移動度が高く、ｐ型半導体ドメインの方がキャリア移動度が低いような構成とすることで、上記課題が達成できることを見出し、本発明に至った次第である。
　以下、本発明を詳細に説明する。
　〔有機光電変換素子の層構成〕
　図１は従来の有機光電変換素子の断面図を示す。図１において、基板１１の一方面上に、陽極（通常、透明電極）１２が堆積され、それとほぼ同等の面積を有する正孔輸送層１７、光電変換層１４、電子輸送層１８、及び陰極（通常、金属電極）１３が順次積層されている。
　光電変換層１４で発生する正孔と電子は、それぞれ陽極と陰極に取り出すことで光電変換電流を得ることができるが、逆方向へも電導するため、それぞれ正孔を流しやすい正孔輸送層１７を光電変換層１４と陽極１２の間に、電子を流しやすい電子輸送層１８を光電変換層１４と陰極１３の間に挟むことで、整流性を向上させ、光電変換効率の向上を図っている。
　また、図２はいわゆるｐ－ｉ－ｎの三層構成となっている構成である。通常のバルクへテロジャンクション層は、ｐ型半導体材料とｎ型半導体層が混合した、ｉ層１４ｉ単体であるが、ｐ型半導体材料単体からなるｐ層１４ｐ、及びｎ型半導体材料単体からなるｎ層１４ｎで挟むことにより、正孔及び電子の整流性がより高くなり、電荷分離した正孔・電子の再結合等によるロスが低減され、一層高い光電変換効率を得ようと図っている。
　本発明においては、一層正孔と電子の整流性を向上させるため、このようなｐ－ｉ－ｎの三層構成またはｉ－ｎの二層構成のような、少なくともｎ型半導体材料を複数有する構成において、ｎ型半導体材料の移動度が陰極に近いほど高いものと設計することで、従来以上の整流性（曲線因子）及び光電変換効率が得られるものである。また、ｐ－第１ｉ－第２ｉ－ｎのように、複数のｉ層を有し、ｎ型半導体材料を複数有する構成においては、最も陰極に近い層のｎ型半導体材料の移動度ほど高いように設計することが好ましい。
　同様に、ｐ型半導体材料の移動度が陽極に近いほど高いものと設計することで、さらなる効果を得ることができる。
　このような積層構成を作成するためには、以下の手法が考えられる。
１）蒸着のようなドライプロセスによって、順次積層する方法
２）第１層目を塗布によって製膜した後、第２層目以降を蒸着のようなドライプロセスによって積層する方法
３）第１層目を塗布によって製膜した後、第２層目以降を、第１層目を溶解しない溶媒を用いて塗布製膜する方法
４）第１層目を塗布によって製膜した後、熱や光等のエネルギーを印加することによって第１層目の溶解性を変化させた後に第２層目以降を塗布する方法
　これらの手法のうち、３）のような、溶解性差を用いる方法は、第１層目と第２層目で大きく化学構造の異なる化合物を用いることが必要となる。４）のような、第１層目を塗布後に溶解性を変化させられるような材料を用いて積層構造を形成する方法は、材料の選択性が広く好ましい。
　なお、移動度とはキャリアの拡散する速さを表す指標であり、この値が大きいほどキャリアの拡散可能な距離も向上し、高い光電変換効率を与える。このキャリア移動度を測定する方法としては、タイムオブフライト法、Ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ　Ｐｏｌｙｍｅｒｓ：Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　Ｐｏｌｙｍｅｒｓ）　（３ＲＤ））（Ｓｋｏｔｈｅｉｍ，Ｔｅｒｊｅ　Ａ．（ＥＤＴ）Ｒｅｙｎｏｌｄｓ，Ｊｏｈｎ　Ｒ．（ＥＤＴ））に記載されているようなＰｈｏｔｏ－ＣＥＬＩＶ法、特開２００５－１５８９７２号公報で開示されているように電界効果トランジスタを作製して評価する方法（ＦＥＴ法）、が挙げられる。しかしタイムオブフライト法は１μｍ程度の厚い膜を形成する必要があり、塗布法によって製膜することは困難な方法である。またＰｈｏｔｏ－Ｃｅｌｉｖ法はまだ市販の装置がないため、ＦＥＴ法で評価することが好ましい。
　また、さらに好ましい層構成として、太陽光利用率（光電変換効率）の向上を目的として有機光電変換素子を積層した、タンデム型の構成としてもよい。図３は、タンデム型の光電変換層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。タンデム型構成の場合、基板１１上に、順次透明電極１２、第１の光電変換部２０を積層した後、電荷再結合層１５を積層した後、第２の光電変換部２１、次いで対電極１３を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。第２の光電変換部２１は、第１の光電変換部２０の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層である。
　以下、本発明の有機光電変換素子の各層に用いることができる、各種材料について説明する。
　〔ｎ型半導体材料〕
　本発明のバルクへテロジャンクション層に用いられるｎ型半導体材料としては、特に限定されないが、例えば、フラーレン、オクタアザポルフィリン等、ｐ型半導体の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体（パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等）、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む高分子化合物等を挙げることができる。
　しかし、各種のｐ型半導体材料と高速（約５０フェムト秒）、かつ効率的に電荷分離を行うことができるフラーレン誘導体を用いることが好ましい。フラーレン誘導体としては、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Ｃ８４、フラーレンＣ２４０、フラーレンＣ５４０、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層ナノチューブ、単層ナノチューブ、ナノホーン（円錐型）等、及びこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、シクロアルキル基、シリル基、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基、シリル基等によって置換されたフラーレン誘導体を挙げることができる。
　中でも［６，６］－フェニルＣ６１－ブチリックアシッドメチルエステル（略称ＰＣＢＭ）、［６，６］－フェニルＣ６１－ブチリックアシッド－ｎブチルエステル（ＰＣＢｎＢ）、［６，６］－フェニルＣ６１－ブチリックアシッド－イソブチルエステル（ＰＣＢｉＢ）、［６，６］－フェニルＣ６１－ブチリックアシッド－ｎヘキシルエステル（ＰＣＢＨ）、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．２０（２００８），ｐ２１１６等に記載のｂｉｓ－ＰＣＢＭ、特開２００６－１９９６７４号公報等のアミノ化フラーレン、特開２００８－１３０８８９号公報等のメタロセン化フラーレンのような、置換基を有してより溶解性が向上したフラーレン誘導体を用いることが好ましい。
　しかし前述のように、ｎ型半導体材料を含む層を複数積層する場合、少なくとも第１層目は塗布後に溶解性を変化（不溶化）できるような材料であることが好ましい。そのような材料としては、米国特許第７，３２９，７０９号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレン、及び特開２００８－２８０３２３号公報等に記載の熱分解性のフラーレン誘導体等を挙げることができるが、より好ましくは三次元的に重合架橋する化合物である。三次元的に重合架橋する化合としては、複数の重合性官能基を有する化合物が挙げられる。このような三次元ネットワーク構造を形成した化合物は、剛性の高いｎ型キャリアパス構造を形成することができ、ｐ型層とｎ型層の相分離構造が経時で変化することを防ぎ、結果として高い耐久性を有する有機光電変換素子を得ることができる。より具体的には、前記一般式（１）で表される材料である。
　一般式（１）において、Ｒ１、Ｒ２は置換または無置換のアルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、シリル基から選ばれる置換基を表し、Ｌ１、Ｌ２は置換または無置換のアルキレン基、アルケンジイル基、アルキンジイル基、シクロアルキレン基、アリーレン基、ヘテロアリーレン基、シリレン基、エーテル基、チオエーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基、またはこれらが複数連結した構造を表す。Ｇ１、Ｇ２は三次元ネットワーク構造の結合鎖となる重合基である。例えばビニル基、ビニルエーテル基、スチリル基、アセチレン基、エポキシ基、オキセタン基、エチレンイミン基、シクロアルケニル基等を挙げることができる。なお、式中、球状のフラーレン構造のうち一方の半球部分のみを示し、他方の半球部分は省略しており、フラーレン構造に置換するＧ１、Ｒ１、Ｌ１を含む第１置換基と、Ｇ２、Ｒ２、Ｌ２を含む第２置換基の位置関係は任意である。
　このような三次元ネットワーク構造を形成することが可能なフラーレン含有モノマーの例としては、以下のような化合物を挙げることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
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Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
　これらの化合物は、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．，ｖｏｌ．１５（２００５），ｐ５１５８，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．２０（２００８），ｐ２１１６、Ａｎｇｅｗａｄｔｅ　Ｃｈｅｍｉｅ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，ｖｏｌ．４１（２００２），ｐ８３８等を参考として、モノマーを合成することができる。
　これらの化合物の中でも、重合架橋反応後にキャリアトラップとなる官能基が発生しない重合基（前記一般式（２）中のＧ１、Ｇ２）として、ビニル基である化合物が好ましい。
　なお、これらの三次元ネットワークを形成する高分子化合物を得る方法としては、モノマーの状態でバルクへテロジャンクション層を形成後に熱、光、放射線、電界印加、及び重合開始反応を引き起こす化合物蒸気に晒す等の方法によって重合架橋反応を引き起こし、三次元ネットワーク構造を形成させることができる。また、熱、光、放射線等によって重合開始反応を引き起こす重合開始剤を予め混合しておいてもよい。これらの方法の中でも、熱、光、電界印加によって重合架橋反応を起こすことが好ましく、中でも重合開始剤を用いずに重合架橋可能な化合物が好ましい。
　なお、本発明において低分子化合物とは、化合物の分子量に分布のない化合物である。他方、高分子化合物とは、所定のモノマーを反応させることによって一定の分子量分布を有する化合物の集合体であることを意味する。しかし、実用上分子量によって定義をする際には、好ましくは分子量が２０００以下の化合物を低分子化合物と区分する。より好ましくは１５００以下、さらに好ましくは１０００以下である。他方、分子量が２０００以上、より好ましくは３０００以上、さらに好ましくは５０００以上の化合物を高分子化合物と区分する。なお、分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）で測定することができるが、後述するような三次元ネットワーク構造を有するような高分子の場合は、正確に分子量を特定することは困難である。
　〔ｐ型半導体材料〕
　本発明の発電層（バルクへテロジャンクション層）に用いられるｐ型半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマーが挙げられる。
　縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、へプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン（ＴＴＦ）－テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン（ＢＥＤＴＴＴＦ）－過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。
　また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第０３／１６５９９号パンフレット、国際公開第０３／２８１２５号パンフレット、米国特許第６，６９０，０２９号明細書、特開２００４－１０７２１６号公報等に記載の置換基を持ったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第２００３／１３６９６４号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｖｏｌ１２７．Ｎｏ１４．４９８６、Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｖｏｌ．１２３、ｐ９４８２、Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｖｏｌ．１３０（２００８）、Ｎｏ．９、２７０６等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物等が挙げられる。
　共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ３－ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはＴｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ＰＶＳＥＣ－１７，Ｆｕｋｕｏｋａ，Ｊａｐａｎ，２００７，Ｐ１２２５に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Ｎａｔｕｒｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ，（２００６）ｖｏｌ．５，ｐ３２８に記載のポリチオフェン－チエノチオフェン共重合体、国際公開第０８／０００６６４号パンフレットに記載のポリチオフェン－ジケトピロロピロール共重合体、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ，２００７，ｐ４１６０に記載のポリチオフェン－チアゾロチアゾール共重合体、Ｎａｔｕｒｅ　Ｍａｔ．ｖｏｌ．６（２００７），ｐ４９７に記載のＰＣＰＤＴＢＴ等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、等のポリマー材料が挙げられる。
　また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン６量体であるα－セクシチオフェンα，ω－ジヘキシル－α－セクシチオフェン、α，ω－ジヘキシル－α－キンケチオフェン、α，ω－ビス（３－ブトキシプロピル）－α－セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。
　これらの化合物の中でも、溶液プロセスが可能な程度に有機溶剤への溶解性が高く、かつ乾燥後は結晶性薄膜を形成し、高い移動度を達成することが可能な化合物が好ましい。
　また、前述のように、ｐ型材料も積層構成によって移動度が陽極に近いほど高い構成であることが好ましいが、このような構成を作製するためには、溶液プロセスで塗布した後に不溶化できるような材料を用いてもよい。
　このような材料としては、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ＰＶＳＥＣ－１７，Ｆｕｋｕｏｋａ，Ｊａｐａｎ，２００７，Ｐ１２２５に記載の重合性基を有するようなポリチオフェンのような、塗布後に塗布膜を重合架橋して不溶化できる材料、または米国特許出願公開第２００３／１３６９６４号、及び特開２００８－１６８３４等に記載されているような、熱等のエネルギーを加えることによって可溶性置換基が反応して不溶化する（顔料化する）材料等を挙げることができる。これらの中でも、好ましくは不溶化後に移動度が向上する、特開２００８－１６８３４等に記載されているようなポルフィリン化合物である。
　〔正孔輸送層〕
　正孔輸送層とは正孔を輸送する機能を有する正孔輸送材料からなり、広い意味で正孔注入層、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。正孔輸送層は単層または複数層設けることができる。
　正孔輸送材料としては、正孔の注入または輸送、電子の障壁性のいずれかを有するものであり、有機物、無機物のいずれであってもよい。例えば、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、シラザン誘導体、アニリン系共重合体、また導電性高分子オリゴマー、特にチオフェンオリゴマー等が挙げられる。
　正孔輸送材料としては上記のものを使用することができるが、ポルフィリン化合物、芳香族第３級アミン化合物及びスチリルアミン化合物、特に芳香族第３級アミン化合物を用いることが好ましい。
　さらにこれらの材料を高分子鎖に導入した、またはこれらの材料を高分子の主鎖とした高分子材料を用いることもできる。また、ｐ型－Ｓｉ、ｐ型－ＳｉＣ、酸化ニッケル、酸化モリブデン等の無機化合物も正孔注入材料、正孔輸送材料として使用することができる。
　また、特開平１１－２５１０６７号公報、Ｊ．Ｈｕａｎｇ　ｅｔ．ａｌ．著文献（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，８０（２００２），ｐ．１３９）に記載されているような所謂、ｐ型正孔輸送材料を用いることもできる。本発明においては、より高効率の発光素子が得られることから、これらの材料を用いることが好ましい。
　正孔輸送層の膜厚については特に制限はないが、通常は５ｎｍ～５μｍ程度、好ましくは５～２００ｎｍである。この正孔輸送層は上記材料の１種または２種以上からなる一層構造であってもよい。
　また、不純物をドープしたｐ性の高い正孔輸送層を用いることもできる。その例としては、特開平４－２９７０７６号公報、特開２０００－１９６１４０号公報、同２００１－１０２１７５号公報、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９５，５７７３（２００４）等に記載されたものが挙げられる。
　本発明においては、このようなｐ性の高い正孔輸送層を用いることが、より低消費電力の素子を作製することができるため好ましい。
　〔電子輸送層〕
　電子輸送層とは電子を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で電子注入層、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。電子輸送層は単層または複数層設けることができる。
　単層の電子輸送層、及び複数層とする場合は光電変換層に対して陰極側に隣接する電子輸送層に用いられる電子輸送材料（正孔阻止材料を兼ねる）としては、陰極より注入された電子を光電変換層に伝達する機能を有していればよく、その材料としては従来公知の化合物の中から任意のものを選択して用いることができ、例えば、ニトロ置換フルオレン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、チオピランジオキシド誘導体、カルボジイミド、フレオレニリデンメタン誘導体、アントラキノジメタン及びアントロン誘導体、オキサジアゾール誘導体等が挙げられる。さらに、上記オキサジアゾール誘導体において、オキサジアゾール環の酸素原子を硫黄原子に置換したチアジアゾール誘導体、電子吸引基として知られているキノキサリン環を有するキノキサリン誘導体も、電子輸送材料として用いることができる。さらにこれらの材料を高分子鎖に導入した、またはこれらの材料を高分子の主鎖とした高分子材料を用いることもできる。
　また、８－キノリノール誘導体の金属錯体、例えば、トリス（８－キノリノール）アルミニウム（Ａｌｑ３）、トリス（５，７－ジクロロ－８－キノリノール）アルミニウム、トリス（５，７－ジブロモ－８－キノリノール）アルミニウム、トリス（２－メチル－８－キノリノール）アルミニウム、トリス（５－メチル－８－キノリノール）アルミニウム、ビス（８－キノリノール）亜鉛（Ｚｎｑ）等、及びこれらの金属錯体の中心金属がＩｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｓｎ、ＧａまたはＰｂに置き替わった金属錯体も、電子輸送材料として用いることができる。その他、メタルフリーもしくはメタルフタロシアニン、またはそれらの末端がアルキル基やスルホン酸基等で置換されているものも、電子輸送材料として好ましく用いることができる。また、光電変換層の材料として例示したジスチリルピラジン誘導体も電子輸送材料として用いることができるし、正孔注入層、正孔輸送層と同様にｎ型－Ｓｉ、ｎ型－ＳｉＣ等の無機半導体も電子輸送材料として用いることができる。
　電子輸送層の膜厚については特に制限はないが、通常は５ｎｍ～５μｍ程度、好ましくは５～２００ｎｍである。電子輸送層は上記材料の１種または２種以上からなる一層構造であってもよい。
　また、不純物をドープしたｎ性の高い電子輸送層を用いることもできる。その例としては、特開平４－２９７０７６号公報、同１０－２７０１７２号公報、特開２０００－１９６１４０号公報、同２００１－１０２１７５号公報、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９５，５７７３（２００４）等に記載されたものが挙げられる。
　本発明においては、このようなｎ性の高い電子輸送層を用いることが、より低消費電力の素子を作製することができるため好ましい。
　また、ｎ型の伝導性を有する無機酸化物（酸化チタン、酸化亜鉛等）も用いることができる。
　〔注入層：電子注入層、正孔注入層〕
　注入層は必要に応じて設け、電子注入層と正孔注入層があり、上記の如く陽極と発電層または正孔輸送層の間、及び陰極と発電層または電子輸送層との間に存在させてもよい。
　注入層とは、有機層と電極との界面の抵抗を低減するために電極と有機層間に設けられる層のことで、「有機電界発光素子とその工業化最前線（１９９８年１１月３０日エヌ・ティー・エス社発行）」の第２編第２章「電極材料」（１２３～１６６頁）に詳細に記載されており、正孔注入層（陽極バッファー層）と電子注入層（陰極バッファー層）とがある。これらを挿入することで、有機光電変換素子においては短絡電流や開放電圧、曲線因子の向上が得られ、また有機ＥＬ素子においては発光開始電圧の低減や発光効率の向上が得られる。
　〔電極〕
　本発明に関わる面発光素子においては、少なくとも透明電極と対電極とを有する。本発明においては、このどちらかを前述の形成方法によって形成されているものである。また、タンデム構成をとる場合には中間電極を用いることでタンデム構成を達成することができる。以下に好ましい透明電極、及び対電極の構成について述べる。
　なお透明電極及び対電極は、透光性があるかどうかといった機能から表現した電極の名称であるが、キャリアの流れる種類で電極を呼び分ける場合、本発明においては主に正孔が流れる電極を陽極と呼び、主に電子が流れる電極を陰極と呼ぶ。
　〔透明電極〕
　有機光電変換素子における透明電極としては、仕事関数の大きい金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが好ましく用いられる。このような電極物質の具体例としては、金、銀、白金等の金属薄膜、またはナノ粒子・ナノワイヤー層、インジウムチンオキシド（ＩＴＯ）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の導電性光透過性材料、及び導電性ポリマーが挙げられる。また、ＩＤＩＸＯ（Ｉｎ２Ｏ３－ＺｎＯ）等非晶質で光透過性の導電膜を作製可能な材料を用いてもよい。陽極としてのシート抵抗は数百Ω／□以下が好ましい。さらに膜厚は材料にもよるが、通常１０～１０００ｎｍ、好ましくは１００～２００ｎｍの範囲で選ばれる。
　〔対電極〕
　一方、対電極としては、仕事関数の小さい金属（電子注入性金属と称する）、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム－カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム／銅混合物、マグネシウム／銀混合物、マグネシウム／アルミニウム混合物、マグネシウム／インジウム混合物、アルミニウム／酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）混合物、インジウム、リチウム／アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。
　これらの中で、電子注入性及び酸化等に対する耐久性の点から、電子注入性金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム／銀混合物、マグネシウム／アルミニウム混合物、マグネシウム／インジウム混合物、アルミニウム／酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）混合物、リチウム／アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。また、対電極としてのシート抵抗は数百Ω／□以下が好ましく、膜厚は通常１０ｎｍ～５μｍ、好ましくは５０～２００ｎｍの範囲で選ばれる。
　なお透明電極よりも仕事関数の大きい金属（金、白金、パラジウム等）を用いることもできるが、その場合は電子が透明電極側に取り出される逆構成となるため、透明電極と対電極間の層構成を逆転させることでそのような構成においても効率の良い有機光電変換素子を得ることもできる。
　〔中間電極〕
　また、前記タンデム構成の場合に必要となる中間電極の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＦＴＯ、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ等の非常に薄い金属層またはナノ粒子・ナノワイヤーを含有する層、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリン等の導電性高分子材料等が好ましい。
　なお前述した正孔輸送層と電子輸送層の中には、適切に組み合わせて積層することで中間電極（電荷再結合層）として働く組み合わせもあり、このような構成とすると１層形成する工程を省くことができ好ましい。
　〔封止〕
　本発明の有機電界発光素子の封止に用いられる封止手段としては、例えば、封止部材と電極、支持基板とを接着剤で接着する方法を挙げることができる。
　封止部材としては有機電界発光素子の表示領域を覆うように配置されておればよく、凹板状でも、平板状でもよい。また透明性、電気絶縁性は特に限定されない。
　本発明においては、素子を薄膜化できるということからポリマーフィルム、金属フィルムを好ましく使用することができる。さらに、ポリマーフィルムは酸素透過度１０－３ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下、水蒸気透過度１０－３ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下のものであることが好ましい。また、前記の水蒸気透過度、酸素透過度がいずれも１０－５ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下であることがさらに好ましい。
　また、ガスバリア性の高い有機高分子材料（ポリビニルアルコール等）をスピンコートする方法、ガスバリア性の高い無機薄膜（酸化ケイ素、酸化アルミニウム等）または有機膜（パリレン等）を真空下で堆積する方法、及びこれらを複合的に積層する方法等も用いることができる。
　〔光センサアレイ〕
　次に、以上説明した有機光電変換素子を応用した光センサアレイについて詳細に説明する。光センサアレイは、前記の有機光電変換素子が受光によって電流を発生することを利用して、有機光電変換素子を細かく画素状に並べて作製し、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する効果を有するセンサである。
　図４は、光センサアレイの構成を示す図である。図４（ａ）は、上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ－Ａ’線断面図である。
　図４において、光センサアレイ３０は、保持部材としての基板３１上に、下部電極としての透明電極３２、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部３４及び透明電極３２と対をなし、上部電極としての対電極３３が順次積層されたものである。光電変換部３４は、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料とを混合した光電変換層を有してなる光電変換層３４ｂと、バッファ層３４ａとの２層で構成される。図４に示す例では、６個の有機光電変換素子が形成されている。
　これら基板３１、透明電極３２、光電変換層３４ｂ及び対電極３３は、前述した有機光電変換素子における、基板１１、陽極１２、光電変換層１４及び陰極１３と同等の構成及び役割を示すものである。
　基板３１には、例えば、ガラスが用いられ、透明電極３２には、例えば、ＩＴＯが用いられ、対電極３３には、例えば、アルミニウムが用いられる。そして、光電変換層３４ｂのｐ型半導体材料には、例えば、前記ＢＰ－１前駆体が用いられ、ｎ型半導体材料には、例えば、前記例示化合物１の重合架橋物が用いられる。また、バッファ層３４ａには、ＰＥＤＯＴ（ポリ－３，４－エチレンジオキシチオフェン）－ＰＳＳ（ポリスチレンスルホン酸）導電性高分子（スタルクヴイテック社製、商品名ＢａｙｔｒｏｎＰ）が用いられる。このような光センサアレイ３０は、次のようにして製作された。
　ガラス基板上にスパッタリングによりＩＴＯ膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定のパターン形状に加工した。ガラス基板の厚さは、０．７ｍｍ、ＩＴＯ膜の厚さは、２００ｎｍ、フォトリソグラフィ後のＩＴＯ膜における測定部面積（受光面積）は、５ｍｍ×５ｍｍであった。次に、このガラス基板３１上に、スピンコート法（条件；回転数＝１０００ｒｐｍ、フィルター径＝１．２μｍ）によりＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ膜を形成した。その後、該基板を、オーブンで１４０℃、１０分加熱し、乾燥させた。乾燥後のＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ膜の厚さは３０ｎｍであった。
　次に、上記ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ膜の上に、ＢＰ－１前駆体＋例示化合物１の１：１混合膜を、スピンコート法（条件；回転数＝３３００ｒｐｍ、フィルター径＝０．８μｍ）により形成した。このスピンコートに際しては、ＢＰ－１前駆体をクロロベンゼン溶媒に６：５で混合し、これを超音波攪拌（５分）して得た混合液を用いた。ＢＰ－１前駆体と前記例示化合物１の混合膜の形成後、窒素ガス雰囲気下においてオーブンで１８０℃、３０分加熱しアニール処理を施した。アニール処理後のＢＰ－１と前記化合物例１の架橋重合物の混合膜の厚さは７０ｎｍであった。
　次いで、その上にｎ層として、フロンティアカーボン社製ＰＣＢｎＢをトルエンに１．２質量％で溶解した液を作製し、０．４５μｍのフィルターでろ過した後、６０ｎｍの膜厚となるようにスピンコートし、１８０℃で３０分間加熱することで、ｎ層を得た。
　その後、所定のパターン開口を備えたメタルマスクを用い、ＢＰ－１＋前記化合物例１の架橋重合物の混合膜の上に、上部電極としてのアルミニウム層を蒸着法により形成（厚さ＝１０ｎｍ）した。その後、ＰＶＡ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ａｌｃｏｈｏｌ）をスピンコートで厚さ１μｍ形成し、１５０℃で焼成することで図略のパッシベーション層を作製した。以上により、光センサアレイ３０が作製された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
　作製された、２行×３列の画素を有する光センサアレイ３０に対し、中央の列の２画素のみに光があたるように光を照射し、６画素に順次陽極・陰極間に－０．５Ｖの電圧を印加して電流値を読み取ったところ、光のあたっている画素のみで電流が観測され、光のあたっていない画素では電流が流れなかった。従って、前記光センサアレイ３０は、光センサとして動作することが確認できた。
　以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なおＢＰ－１前駆体、及びその金属錯体はＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏｌ．２２（１９９９），ｐ２２７５、及び特開２００８－１６８３４等を参考として合成した。また、フェニル－Ｃ６１－酪酸グリシジル（ＰＣＢＧ）は、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．２０（２００８），ｐ２１１６に従って合成した。
　実施例１
　〔有機半導体のキャリア移動度の評価〕
　（有機薄膜トランジスタの作製）
　熱酸化によって形成された厚さ２００ｎｍの酸化珪素膜を有する、比抵抗０．０２Ω・ｃｍのｎ型Ｓｉウェハー上に、公知のリソグラフィー技術を用いて、厚さ１００ｎｍのＡｕから形成される、Ｗ＝２２０μｍ、Ｌ＝１０μｍの形状のトソース・ドレイン電極パターンを形成した。
　上記のソース・ドレイン電極パターンを有する基板を、アセトン・イソプロパノールで洗浄した後、ＳＡＭＣＯ製ＵＶオゾンクリーナーＵＶ－１を使用し、７０℃１０分間のドライ洗浄を行った。
　ドライ洗浄を行った後、ソース・ドレイン電極上にペンタフルオロベンゼンチオール（以下ＰＦＢＴと略すこともある）からなる単分子膜を、以下の工程で形成した。
　真空チャンバーにドライ洗浄を行った基板をセットし、次いでチャンバー内を室温下で２トルまで減圧した。この時点でＰＦＢＴを含有する容器と接続されたバルブを開き、５分間チャンバー内をＰＦＢＴの蒸気を導入した。次いでＰＦＢＴと接続されたバルブを閉じ、窒素パージ及び減圧を数回繰り返した後、チャンバーを大気圧に戻して基板を取り出し、エタノールで数回洗浄を行った。
　次いで上記の基板上に、ヘキサメチルジシラザン（以下、ＨＭＤＳ）を４０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートし、９０℃で９０秒間乾燥した後、トルエンで洗浄を行い、酸化ケイ素膜表面にＨＭＤＳからなる単分子膜を形成した。
　次に、対象となる有機半導体材料を、クロロベンゼンに２．０質量％の濃度で溶解し、この溶液を１２００ｒｐｍで３０秒間スピンコートし、有機半導体層を形成した。その後１６０℃で３０分間の熱処理を行った。この処理により、熱変換型の材料（ＢＰ－１前駆体、Ｃｕ－ＢＰ前駆体、Ｎｉ－ＢＰ前駆体、及びアルドリッチ社製１３，６－Ｎ－スルフィニルアセトアミドペンタセン）はそれぞれ所定の有機半導体材料に変換された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
　（キャリアの平均移動度の測定）
　各有機半導体材料について、各有機薄膜トランジスタを用いて、アジレントテクノロジーズ製半導体パラメータ測定装置Ｂ１５００を使用して、ドレインバイアスを－４０Ｖ、ゲートバイアスを－４０Ｖから４０Ｖまで掃引したときのＩ－Ｖ特性からキャリアの移動度を算出し、１０個の素子についての平均値を算出し、有機半導体材料のキャリア移動度とした。
　得られた、結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　実施例２
　〔２層型有機光電変換素子の評価〕
　（有機光電変換素子１の作製）
　ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）透明導電膜を１１０ｎｍ堆積したもの（シート抵抗１３Ω／□）を、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用いて２ｍｍ幅にパターニングして、透明電極（陽極）を形成した。
　パターン形成した透明電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に１０分間の紫外線オゾン洗浄を行った。
　この透明基板上に、導電性高分子であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Ｂａｙｔｒｏｎ　Ｐ４０８３、スタルクヴィテック社製）を３０ｎｍのドライ膜厚となるようにスピンコートした後、１４０℃で大気中１０分間加熱乾燥した。
　これ以降は、基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を１４０℃で３分間加熱処理した。
　まずｉ層として、クロロベンゼンにＢＰ－１前駆体とＰＣＢＭ（フロンティアカーボン社製：６，６－フェニル－Ｃ６１－ブチリックアシッドメチルエステル、Ｍｗ＝９１１、ｎ型半導体材料）を１．２質量％：１．０質量％となるように混合した液を調製し、フィルターでろ過しながら膜厚が１００ｎｍになるようにスピンコートを行い、室温で３０分放置後、１６０℃で３０分加熱し、ｐ型半導体材料のＢＰ－１前駆体をＢＰ－１へと変換し（Ｍｗ５１１、低分子ｐ型半導体材料、変換前後で分子量が約５／６に減少）、ｉ層を得た。
　ｉ層まで設けた基板を、大気暴露させずに蒸着機に移動し、４×１０－４Ｐａまで減圧した。なお、タンタル製抵抗加熱ボートに、また、タングステン製抵抗加熱ボートに、Ａｌｄｒｉｃｈ社製バトクプロイン（ＢＣＰ）及びアルミニウムを入れ、蒸着機内に取り付けておいた。
　次いで、タンタル製抵抗熱ボートに通電し加熱し、基板上にＢＣＰの電子輸送層を６ｎｍ設けた。つづいて、タングステン製タンタル加熱ボートに通電し加熱し、蒸着速度１～２ｎｍ／秒でアルミニウムからなる陰極を１００ｎｍの膜厚で、前記透明導電膜と直交するように２ｍｍの巾で蒸着した。
　得られた有機光電変換素子１は、窒素雰囲気下でアルミニウム缶とＵＶ硬化樹脂を用いて封止を行った。
　（有機光電変換素子２の作製）
　有機光電変換素子１の作製において、ｉ層のＰＣＢＭに代えてＰＣＢＧを用いた以外は同様にして、有機光電変換素子２を作製した。
　（有機光電変換素子３の作製）
　有機光電変換素子２の作製において、ｉ層まで設けた後、ｎ層として再びＰＣＢＧをトルエンに１．２質量％で溶解した液を作製し、０．４５μｍのフィルターでろ過した後、６０ｎｍの膜厚となるようにスピンコートし、１８０℃で３０分間加熱することで、ｎ層を得た。
　その後は同様にしてＢＣＰ層、Ａｌ層を形成し、封止を行って有機光電変換素子３を得た。
　（有機光電変換素子４～６の作製）
　有機光電変換素子３の作製において、ｉ層中のｎ型半導体材料及びｎ層を形成するｎ型半導体材料を表２に記載の化合物を用いた以外は同様にして、有機光電変換素子４～６を得た。
　（曲線因子及び変換効率の評価）
　上記作製した光電変換素子に、ソーラーシミュレーター（ＡＭ１．５Ｇフィルタ）の１００ｍＷ／ｃｍ２の強度の光を照射し、有効面積を４．０ｍｍ２にしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ２）及び開放電圧Ｖｏｃ（Ｖ）、曲線因子ＦＦを、同素子上に形成した４箇所の受光部をそれぞれ測定し、平均値を求めた。またＪｓｃ、Ｖｏｃ、ＦＦから、式１に従って光電変換効率η（％）を求めた。
　式１　　　Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ２）×Ｖｏｃ（Ｖ）×ＦＦ＝η（％）
　得られた、結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　表２から、本発明の層構成を有する有機光電変換素子の曲線因子及び光電変換効率が優れていることが分かる。
　実施例３
　〔多層型有機光電変換素子の評価〕
　（有機光電変換素子１１の作製）
　実施例２の有機光電変換素子１と同様にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層まで設けた後、ｐ層としてＢＰ－１前駆体を０．５質量％でクロロベンゼンに溶解した溶液を０．４５μｍのフィルターでろ過した後に、２５ｎｍの膜厚となるようにスピンコートし、１８０℃で２０分間加熱することで、ＢＰ－１前駆体をＢＰ－１へと変換し、ｐ層を得た。
　まずｉ層として、クロロベンゼンにＢＰ－１前駆体とＰＣＢＭを１．２質量％：１．０質量％となるように混合した液を調製し、フィルターでろ過しながら膜厚が１００ｎｍになるようにスピンコートを行い、室温で３０分放置後、１６０℃で３０分加熱し、ｐ型半導体材料のＢＰ－１前駆体をＢＰ－１へと変換し（変換前後で分子量が約５／６に減少）、ｉ層を得た。
　ｉ層まで設けた基板を、大気暴露させずに蒸着機に移動し、４×１０－４Ｐａまで減圧した。なお、タンタル製抵抗加熱ボートに、また、タングステン製抵抗加熱ボートに、Ａｌｄｒｉｃｈ社製バトクプロイン（ＢＣＰ）及びアルミニウムを入れ、蒸着機内に取り付けておいた。
　次いで、タンタル製抵抗熱ボートに通電し加熱し、基板上にＢＣＰの電子輸送層を６ｎｍ設けた。つづいて、タングステン製タンタル加熱ボートに通電し加熱し、蒸着速度１～２ｎｍ／秒でアルミニウムからなる陰極を１００ｎｍの膜厚で、前記透明導電膜と直交するように２ｍｍの巾で蒸着した。
　得られた有機光電変換素子１１は、窒素雰囲気下でアルミニウム缶とＵＶ硬化樹脂を用いて封止を行った。
　（有機光電変換素子１２～１５の作製）
　有機光電変換素子１１の作製において、ｐ層、ｉ層、ｎ層の材料を表３に記載の化合物に変更した以外は有機光電変換素子１１と同様にして、有機光電変換素子１２～１５を作製した。
　（有機光電変換素子１６の作製）
　有機光電変換素子１１と同様にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層まで設けた後、ｐ層としてＣｕ－ＢＰ前駆体を０．５質量％でクロロベンゼンに溶解した溶液を０．４５μｍのフィルターでろ過した後に２５ｎｍの膜厚となるようにスピンコートし、１８０℃で２０分間加熱することで、ＢＰ－１前駆体をＢＰ－１へと変換し、ｐ層を得た。
　次いで第１ｉ層として、クロロベンゼンにＢＰ－１前駆体と例示化合物１を１．６質量％：０．６７質量％となるように混合した液を調製し、フィルターでろ過しながら膜厚が１００ｎｍになるようにスピンコートを行い、室温で３０分放置後、１６０℃で３０分加熱し、ｐ型半導体材料のＢＰ－１前駆体をＢＰ－１へと変換し（変換前後で分子量が約５／６に減少し）、第１ｉ層を得た。
　次いで第２ｉ層として、クロロベンゼンにＢＰ－１前駆体と例示化合物１を０．８質量％：１．３３質量％となるように混合した液を調製し、フィルターでろ過しながら膜厚が１００ｎｍになるようにスピンコートを行い、室温で３０分放置後、１６０℃で３０分加熱し、ｐ型半導体材料のＢＰ－１前駆体をＢＰ－１へと変換し（変換前後で分子量が約５／６に減少し）、第２ｉ層を得た。
　第２ｉ層まで設けた基板を、大気暴露させずに蒸着機に移動し、４×１０－４Ｐａまで減圧した。なお、タンタル製抵抗加熱ボートに、また、タングステン製抵抗加熱ボートに、Ａｌｄｒｉｃｈ社製バトクプロイン（ＢＣＰ）及びアルミニウムを入れ、蒸着機内に取り付けておいた。
　次いで、タンタル製抵抗熱ボートに通電し加熱し、基板上にＢＣＰの電子輸送層を６ｎｍ設けた。つづいて、タングステン製タンタル加熱ボートに通電し加熱し、蒸着速度１～２ｎｍ／秒でアルミニウムからなる陰極を１００ｎｍの膜厚で、前記透明導電膜と直交するように２ｍｍの巾で蒸着した。
　得られた有機光電変換素子１６は、窒素雰囲気下でアルミニウム缶とＵＶ硬化樹脂を用いて封止を行った。
　（有機光電変換素子１７の作製）
　有機光電変換素子１６の作製において、用いる材料を表３に記載の化合物に変更した以外は、有機光電変換素子１６の作製と同様にして有機光電変換素子１７を作製した。
　得られた有機光電変換素子１１～１７は、同様にして曲線因子及び変換効率を評価した。評価の結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
　表３から、本発明の層構成を有する有機光電変換素子の曲線因子及び光電変換効率が優れていることが分かる。
　１０　光電変換素子
　１１　基板
　１２　陽極（第１の電極、透明電極）
　１３　陰極（第２の電極、対電極）
　１４　光電変換層
　１４ｐ　ｐ型半導体層（ｐ層）
　１４ｉ　ｐ型半導体及びｎ型半導体混在層（ｉ層）
　１４ｎ　ｎ型半導体層（ｎ層）
　１５　電荷再結合層
　１７　正孔輸送層
　１８　電子輸送層
　２０　第１の光電変換部
　２１　第２の光電変換部
　３０　光センサアレイ

Claims (13)

  1. 　陰極と陽極の間に、ｐ型有機半導体材料及びｎ型有機半導体材料が混在した層からなるｉ層、ｎ型有機半導体材料単独からなるｎ層を含有する光電変換層を有する有機光電変換素子であって、前記ｎ層のｎ型有機半導体材料のキャリア移動度が、前記ｉ層のｎ型有機半導体材料のキャリア移動度より高いことを特徴とする有機光電変換素子。
  2. 　前記光電変換層が、溶液プロセスによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の有機光電変換素子。
  3. 　前記ｎ型有機半導体材料が、フラーレン誘導体であることを特徴とする請求項１または２に記載の有機光電変換素子。
  4. 　前記フラーレン誘導体のうちの少なくとも１種が、重合可能なフラーレン誘導体であることを特徴とする請求項３に記載の有機光電変換素子。
  5. 　前記フラーレン誘導体のうちの少なくとも１種が、三次元ネットワーク構造を形成していることを特徴とする請求項３または４に記載の有機光電変換素子。
  6. 　前記三次元ネットワーク構造を形成しているフラーレン誘導体が、下記一般式（１）で表される構造を有するモノマーを重合架橋して得られた化合物であることを特徴とする請求項５に記載の有機光電変換素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    （式中、Ｒ１、Ｒ２は置換または無置換のアルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、シリル基から選ばれる置換基を表し、Ｌ１、Ｌ２は置換または無置換のアルキレン基、アルケンジイル基、アルキンジイル基、シクロアルキレン基、アリーレン基、ヘテロアリーレン基、シリレン基、エーテル基、チオエーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基、またはこれらが複数連結した構造を表す。Ｇ１、Ｇ２は三次元ネットワーク構造の結合鎖となる重合基である。なお、式中、球状のフラーレン構造のうち一方の半球部分のみを示し、他方の半球部分は省略しており、フラーレン構造に置換するＧ１、Ｒ１、Ｌ１を含む第１置換基と、Ｇ２、Ｒ２、Ｌ２を含む第２置換基の位置関係は任意である。）
  7. 　前記光電変換層が、ｐ型有機半導体材料単独からなるｐ層、ｐ型有機半導体材料及びｎ型有機半導体材料が混在した層からなるｉ層、ｎ型有機半導体材料単独からなるｎ層、の３層が積層されたｐ－ｉ－ｎ構成を有することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
  8. 　前記ｐ型有機半導体材料のキャリア移動度が、陽極に近いほど高いことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
  9. 　前記ｐ型有機半導体材料が、ポルフィリン誘導体であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
  10. 　前記ｉ層が２～５層からなり、かつ、該ｉ層に含まれるｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料の質量比が、各層でそれぞれ異なることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
  11. 　前記ｉ層が２～５層からなり、かつ、該ｉ層に含まれるｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料の少なくとも一方は、各層でそれぞれ異なる材料から形成されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の有機光電変換素子。
  12. 　請求項１～１１のいずれか１項に記載の有機光電変換素子を具備したことを特徴とする太陽電池。
  13. 　請求項１～１１のいずれか１項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されていることを特徴とする光センサアレイ。
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