WO2024057957A1 - 光電変換素子用材料及びこれを用いた光電変換素子 - Google Patents

光電変換素子用材料及びこれを用いた光電変換素子 Download PDF

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WO2024057957A1
WO2024057957A1 PCT/JP2023/031849 JP2023031849W WO2024057957A1 WO 2024057957 A1 WO2024057957 A1 WO 2024057957A1 JP 2023031849 W JP2023031849 W JP 2023031849W WO 2024057957 A1 WO2024057957 A1 WO 2024057957A1
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WO
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group
photoelectric conversion
carbon atoms
conversion element
substituted
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Application number
PCT/JP2023/031849
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English (en)
French (fr)
Inventor
健太郎 林
棟智 井上
Original Assignee
日鉄ケミカル&マテリアル株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/60Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation in which radiation controls flow of current through the devices, e.g. photoresistors

Definitions

  • the present invention relates to a material for a photoelectric conversion element and a photoelectric conversion element using the same, and particularly relates to a material for a photoelectric conversion element useful for imaging devices.
  • organic electronic devices using thin films formed from organic semiconductors.
  • Examples include electroluminescent elements, solar cells, transistor elements, photoelectric conversion elements, and the like.
  • organic EL elements which are electroluminescent elements using organic substances, is the most advanced, and as their application to smartphones and TVs progresses, development toward even higher functionality continues. There is.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 As one solution to the problems of photoelectric conversion elements, photoelectric conversion elements that use organic semiconductors instead of inorganic semiconductors are being developed (Non-Patent Documents 1 and 2). This utilizes the property of organic semiconductors that allows them to selectively absorb light in specific wavelength ranges with high sensitivity.High sensitivity is achieved by stacking photoelectric conversion elements made of organic semiconductors that correspond to the three primary colors of light. A solution to the problem of increasing resolution and resolution has been proposed. Furthermore, an element in which a photoelectric conversion element made of an organic semiconductor and a photoelectric conversion element made of an inorganic semiconductor are stacked has also been proposed (Non-Patent Document 3).
  • a photoelectric conversion element using an organic semiconductor has a photoelectric conversion layer made of a thin film of an organic semiconductor between two electrodes, and if necessary, a hole blocking layer is provided between the photoelectric conversion layer and the two electrodes.
  • This is an element configured by arranging a layer and/or an electron block layer.
  • excitons are generated by absorbing light having a desired wavelength in a photoelectric conversion layer, and then holes and electrons are generated by charge separation of the excitons. Thereafter, holes and electrons move to each electrode, converting light into electrical signals.
  • a method of applying a bias voltage between both electrodes is commonly used, but the challenge is to reduce the leakage current from both electrodes caused by applying the bias voltage. Become one. For this reason, it can be said that controlling the movement of holes and electrons within a photoelectric conversion element is the key to developing the characteristics of a photoelectric conversion element.
  • the organic semiconductors used in each layer of the photoelectric conversion element can be broadly classified into P-type organic semiconductors and N-type organic semiconductors, with P-type organic semiconductors being used as hole-transporting materials and N-type organic semiconductors being used as electron-transporting materials.
  • P-type organic semiconductors being used as hole-transporting materials
  • N-type organic semiconductors being used as electron-transporting materials.
  • appropriate physical properties such as hole mobility, electron mobility, energy value of highest occupied molecular orbital (HOMO), and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) are required.
  • hole transporting materials and electron-blocking materials for organic electroluminescent devices and organic solar cells, but it is unclear whether these compounds are excellent as hole-transporting materials or electron-blocking materials for imaging.
  • one of the important properties required of hole transport materials for photoelectric conversion elements for imaging is, for example, in order for a camera to capture clear images in the dark, the current when the shutter is closed is Since it is important to increase the difference between the current value and the current value when the shutter is open (bright/dark ratio), the lower the current value in the dark, the better, and the higher the current value in the bright. In other words, it is important to have a "high contrast ratio.”
  • the voltage required to flow a constant current, luminous efficiency, device life, etc. are characteristics that need to be improved, and the required characteristics are significantly different from those of photoelectric conversion devices for imaging.
  • the required properties are different between hole transporting materials and electron blocking materials for organic electroluminescent devices and organic solar cells, and hole transporting materials and electron blocking materials for photoelectric conversion devices for imaging. Therefore, it is unclear whether a material that is excellent as a hole-transporting material and an electron-blocking material for organic electroluminescent devices and organic solar cells is also an excellent hole-transporting material and electron-blocking material for photoelectric conversion devices for imaging until it is confirmed through experiments. isn't it.
  • Patent Document 2 proposes an element using a chrysenodithiophene derivative as a P-type organic semiconductor and a fullerene or subphthalocyanine derivative as an N-type organic semiconductor in a photoelectric conversion layer.
  • Patent Documents 3 and 4 propose devices using carbazole derivatives in an electron blocking layer disposed between a photoelectric conversion layer and an electrode.
  • Patent Document 5 proposes an element using a pyrene derivative or a triphenylene derivative in an electron blocking layer disposed between a photoelectric conversion layer and an electrode.
  • an object of the present invention is to provide a material that realizes higher sensitivity and higher resolution of a photoelectric conversion element for imaging, and a photoelectric conversion element for imaging using the same.
  • the present inventors found that the process of generating holes and electrons due to charge separation of excitons in the photoelectric conversion layer and the process of movement of holes and electrons within the photoelectric conversion element are The present invention was completed based on the discovery that the process can be carried out efficiently by using the following.
  • the present invention is a material for a photoelectric conversion element characterized by comprising a compound represented by the following general formula (1).
  • Ar 1 to Ar 3 each independently represent deuterium, a cyano group, a halogen, a nitro group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 38 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, Alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, acyl group having 2 to 20 carbon atoms, acyloxy group having 2 to 20 carbon atoms, alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, alkoxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms, 2 to 20 carbon atoms 20 alkoxycarbonyloxy group, alkylsulfonyl group having 1 to 20 carbon atoms, dialkylamino group having 2 to 20 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkylarylamino group having 7 to 28 carbon
  • Ar 1 to Ar 3 are groups having a hydrogen atom
  • the hydrogen atom may be substituted with deuterium or halogen.
  • X represents C(Ar 4 Ar 5 ), NAr 6 , O, or S.
  • a and b represent the number of substitutions, and each independently represents an integer from 0 to 4.
  • L 1 and L 2 are each independently a direct bond, a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group having 6 to 18 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group having 3 to 18 carbon atoms, or Represents a substituted or unsubstituted linked aromatic group consisting of 2 to 3 linked aromatic rings.
  • Ar 4 to Ar 12 are each independently the same as those described for Ar 1 to Ar 3 , but when Ar 4 to Ar 12 represent a linked aromatic group, 2 to 3 aromatic rings are linked represents a substituted or unsubstituted linked aromatic group.
  • Ar 4 and Ar 5 may be bonded to each other to form a ring structure.
  • c to f represent the number of substitutions, c, e, and f each independently represent an integer of 0 to 3, and d represents an integer of 0 to 2.
  • the general formula (1) is preferably represented by any one of the following general formulas (9) to (12).
  • the general formula (1) is more preferably represented by any of the following general formulas (9), (11), and (12), and is represented by any of the following general formulas (11) and (12). It is more preferable that Note that in general formulas (9) to (12), Ar 1 to Ar 6 and a and b are the same as described in general formula (1) above.
  • At least one of Ar 1 to Ar 3 in the general formula (1) is represented by one of the general formulas (2) to (8), and the general formulas (2), (3), It is more preferably represented by any one of (5), (7), and (8).
  • L 1 in the general formulas (2) to (8) is preferably a single bond.
  • the above material for photoelectric conversion elements has a highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level of ⁇ 4.0 eV or less obtained by structure optimization calculation using density functional calculation B3LYP/6-31G(d). preferable. Further, it is preferable that the energy level of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) is ⁇ 2.5 eV or higher.
  • HOMO highest occupied molecular orbital
  • the photoelectric conversion element material preferably has a hole mobility of 1 ⁇ 10 ⁇ 6 cm 2 /Vs or more. Moreover, it is preferable that the photoelectric conversion element material is amorphous.
  • the above material for photoelectric conversion elements can be used as a hole transporting material.
  • the present invention also provides an imaging photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer and an electronic block layer between two electrodes, in which at least one layer of the photoelectric conversion layer and the electronic block layer is provided with the above-mentioned photoelectric conversion element material.
  • a photoelectric conversion element characterized by comprising:
  • the photoelectric conversion element of the present invention can include the above photoelectric conversion element material in the electron block layer, and can include an electron transporting material such as a fullerene derivative in the photoelectric conversion layer.
  • the material for photoelectric conversion elements of the present invention can be applied to photoelectric conversion elements for imaging, but it can also be applied to other sensors that convert optical information into signals, solar cells, etc.
  • the material for a photoelectric conversion element of the present invention is applied to a photoelectric conversion element for imaging, appropriate movement of holes and electrons can be realized, so leakage caused by application of a bias voltage when converting light into electrical energy can be prevented. It is considered that the current can be reduced, and as a result, a photoelectric conversion element that achieves a low dark current value and a high contrast ratio can be obtained. Therefore, the material of the present invention is useful as a material for a photoelectric conversion element in a photoelectric conversion film stacked type imaging device.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a photoelectric conversion element used in the present invention.
  • the photoelectric conversion element in the present invention has at least one organic layer between two electrodes, and converts light into electrical energy.
  • the organic layer contains a photoelectric conversion element material made of a compound represented by the above general formula (1).
  • a photoelectric conversion element for imaging having a photoelectric conversion layer and an electronic block layer between two electrodes
  • at least one layer of the photoelectric conversion layer and the electronic block layer is represented by the above general formula (1).
  • the photoelectric conversion element material made of the compound represented by the general formula (1) will be simply referred to as the photoelectric conversion element material. It may also be referred to as the material of the present invention or the compound represented by general formula (1).
  • Preferred forms of the general formula (1) are represented by the general formulas (9) to (12), preferably the general formulas (9), (11), or (12), and among them, the general formulas (9) to (12) are preferred. It is more preferably represented by formula (11) or (12).
  • At least one of Ar 1 to Ar 3 is represented by one of the above general formulas (2) to (8), and Ar 1 is represented by any of the general formulas (2) to (8). It is preferable that it is represented by one of the following.
  • At least one of Ar 1 to Ar 3 is represented by any of the above general formulas (2) to (8), and general formulas (2), (3), (5 ), (7), or (8), and more preferably general formula (2), (5), or (8).
  • Ar 1 to Ar 3 each independently represent deuterium, a cyano group, a halogen, a nitro group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 38 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, Alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, acyl group having 2 to 20 carbon atoms, acyloxy group having 2 to 20 carbon atoms, alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, alkoxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms, 2 to 20 carbon atoms 20 alkoxycarbonyloxy group, alkylsulfonyl group having 1 to 20 carbon atoms, dialkylamino group having 2 to 20 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkylarylamino group having 7 to 28 carbon atoms, substituted or unsubstituted carbon number Diarylamino group having 12 to 36 carbon atoms, substituted or un
  • substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon groups having 6 to 18 carbon atoms substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic groups having 6 to 18 carbon atoms, or these aromatic hydrocarbon groups and aromatic It is a substituted or unsubstituted connected aromatic group formed by connecting 2 to 10 aromatic groups in a heterocyclic group.
  • Ar 1 to Ar 3 when these groups have a hydrogen atom, the hydrogen atom may be substituted with deuterium or halogen. Note that, as described above, at least one of Ar 1 to Ar 3 is represented by one of the general formulas (2) to (8).
  • the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms may be any of linear, branched, and cyclic alkyl groups, and is preferably a linear, branched, or cyclic alkyl group having 1 to 10 carbon atoms.
  • linear saturated hydrocarbon groups such as methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-octyl group, n-dodecyl group, n-tetradecyl group, and n-octadecyl group, branched saturated hydrocarbon groups such as isopropyl group, isobutyl group, neopentyl group, 2-ethylhexyl group, and 2-hexyloctyl group, and saturated alicyclic hydrocarbon groups such as cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclooctyl group, and 4-butylcyclohexyl group.
  • aralkyl group having 7 to 38 carbon atoms include benzyl group, phenethyl group, phenylpropyl group, phenylbutyl group, naphthylmethyl group, triphenylenylmethyl group, and the like.
  • alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms include ethylene group, propylene group, butylene group, pentene group, cyclopentene group, hexene group, cyclohexene group, octene group, and the like.
  • alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms include an acetylene group, a propyne group, a butyne group, a pentyne group, and the like.
  • acyl group having 2 to 20 carbon atoms include formyl group, acetyl group, propionyl group, and benzoyl group.
  • acyloxy group having 2 to 20 carbon atoms include methanoyl group, ethanoyl group, propanoyl group, butanoyl group, benzoyl group, propenoyl group, butenoyl group, and the like.
  • alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms include methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, and the like.
  • alkoxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms include methoxycarbonyl group, ethoxycarbonyl group, propoxycarbonyl group, butoxycarbonyl group, pentoxycarbonyl group, and the like.
  • alkoxycarbonyloxy group having 2 to 20 carbon atoms include methoxycarbonyloxy group, ethoxycarbonyloxy group, propoxycarbonyloxy group, butoxycarbonyloxy group, pentoxycarbonyloxy group, and the like.
  • alkylsulfonyl group having 1 to 20 carbon atoms include methylsulfonyl, ethylsulfonyl, propylsulfonyl, butylsulfonyl, pentylsulfonyl, and the like.
  • Ar 1 to Ar 3 represent an amino group, a dialkylamino group having 2 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkylarylamino group having 7 to 28 carbon atoms, a substituted or unsubstituted diallylamino group having 12 to 36 carbon atoms; group, a substituted or unsubstituted arylheteroarylamino group having 12 to 36 carbon atoms, a substituted or unsubstituted diheteroarylamino group having 12 to 36 carbon atoms, and the like.
  • alkyl group examples include linear saturated hydrocarbon groups such as methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, and n-octyl group, isopropyl group
  • alkyl group examples include linear saturated hydrocarbon groups such as methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, and n-octyl group, isopropyl group
  • Examples include branched saturated hydrocarbon groups such as isobutyl group, neopentyl group, and 2-ethylhexyl group, and saturated alicyclic hydrocarbon groups such as cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclooctyl group, and 4-butylcyclohexyl group.
  • aryl group examples include phenyl group, biphenyl group, terphenyl group, quaterphenyl group, naphthyl group, phenanthrenyl group, anthracenyl group, triphenylenyl group, pyrenyl group, fluorenyl group, spirobifluorenyl group, etc. It will be done.
  • heteroaryl groups include pyrrole, pyrrolopyrrole, indole, pyrroloindole, benzoindole, naphthopyrrole, isoindole, pyrroloisoindole, benzisoindole, naphthoisopyrrole, carbazole, phenoxazine, phenothiazine, acridine, phenazine.
  • dialkylamino group examples include dimethylamino group, methylethylamino group, diethylamino group, dipropylamino group, di-n-butylamino group, di-t-butylamino group, dipentylamino group, dihexylamino group, Examples include groups derived from a dicyclohexylamino group, a diheptylamino group, a dioctylamino group, a dinonylamino group, a didecylamino group, and the like.
  • alkylaryl amino groups include methylphenylamino group, ethylphenylamino group, propylphenylamino group, butylphenylamino group, cyclohexylphenylamino group, cyclohexylnaphthylamino group, cyclohexylfluorenylamino group, and cyclohexylphenylamino group.
  • Examples include groups derived from a renylamino group, a cyclohexylfluoranthenylamino group, a cyclohexyltriphenylenylamino group, and the like.
  • diarylamino group examples include diphenylamino group, phenylnaphthylamino group, dinaphthylamino group, phenylanthraceneylamino group, phenylfluorenylamino group, phenylphenanthrenylamino group, phenylfluoranthenylamino group. group, phenyltriphenylenylamino group, difluorenylamino group, naphthyltriphenylenylamino group, ditriphenylenylamino group, and the like.
  • arylheteroarylamino group examples include groups derived from a phenylpyridylamino group, a phenylindolyl group, a phenyldibenzofuranylamino group, a phenyldibenzothiophenylamino group, and the like.
  • diheteroarylamino group examples include bis-dibenzofuranylamino group, bis-dibenzothiophenylamino group, bis-carbazolylamino group, dibenzofuranylcarbazolylamino group, and dibenzofuranyldibenzothiophenyl. Examples include groups derived from an amino group, a dibenzothiophenylcarbazolylamino group, and the like.
  • examples of the unsubstituted aromatic hydrocarbon group having 6 to 18 carbon atoms include a group obtained by removing one hydrogen from a known aromatic hydrocarbon.
  • aromatic hydrocarbon groups include monocyclic aromatic hydrocarbons such as benzene, bicyclic aromatic hydrocarbons such as naphthalene, and tricyclic aromatic hydrocarbons such as indacene, biphenylene, phenalene, anthracene, phenanthrene, and fluorene.
  • groups derived from the formula aromatic hydrocarbons such as fluoranthene, acephenanthrylene, aceantrylene, triphenylene, pyrene, chrysene, tetraphene, tetracene, preiadene.
  • groups derived from benzene, naphthalene, anthracene, phenanthrene, triphenylene, or pyrene are examples of groups derived from the formula aromatic hydrocarbons, tetracyclic aromatic hydrocarbons such as fluoranthene, acephenanthrylene, aceantrylene, triphenylene, pyrene,
  • the unsubstituted aromatic heterocyclic group having 3 to 18 carbon atoms includes a group obtained by removing one hydrogen from an aromatic heterocyclic group.
  • aromatic heterocyclic groups include, for example, pyrrole, pyrrolopyrrole, indole, pyrroloindole, benzoindole, naphthopyrrole, isoindole, pyrroloisoindole, benzisoindole, naphthoisopyrrole, carbazole, benzocarbazole, indo Nitrogen-containing aromatic compounds with a pyrrole ring such as loindole, carbazolocarbazole, indolocarbazole, carboline, thiophene, benzothiophene, naphthothiophene, phenothiazine, dibenzothiophene, benzothienonaphthalene, benzothienobenzothiophene, benzo
  • an unsubstituted connected aromatic group in which aromatic groups of an aromatic hydrocarbon group and an aromatic heterocyclic group are connected is a group in which two or more aromatic groups are connected by bonding with a single bond.
  • An aromatic group. These linked aromatic groups may be linear or branched. The bonding position when benzene rings are bonded to each other may be ortho, meta, or para, but para bonding or meta bonding is preferred.
  • the aromatic group may be an aromatic hydrocarbon group or an aromatic heterocyclic group, and the plurality of aromatic groups may be the same or different.
  • Ar 1 to Ar 3 represent a linked aromatic group
  • the number of links is 2 to 10, preferably 2 to 8, and more preferably 2 to 6.
  • the number of connections is two carbazole (CBZ) groups described in formulas (2) to (8), L 1 , L 2 , and Ar 6 to Ar This is the total number of linked aromatic hydrocarbon groups and aromatic heterocyclic groups contained in 12 .
  • a and b represent the number of substitutions, each independently representing an integer from 0 to 4, preferably from 0 to 2, and more preferably from 0 to 2. Preferably it is 0.
  • L 1 and L 2 each independently represent a direct bond, a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group having 6 to 18 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted carbon atom.
  • L 1 is preferably a direct bond, a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group having 6 to 18 carbon atoms, and more preferably a direct bond.
  • L 2 is preferably a direct bond, a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group having 6 to 18 carbon atoms, and more preferably a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group having 6 to 12 carbon atoms.
  • specific examples of an unsubstituted aromatic hydrocarbon group having 6 to 18 carbon atoms and an unsubstituted aromatic heterocyclic group having 3 to 18 carbon atoms include two aromatic hydrocarbon groups. It is the same as that explained for Ar 1 to Ar 3 except that it is a group excluding hydrogen.
  • the two carbazole (CBZ) groups described in formulas (2) to (8) and formula (1) are included in the connected aromatic group.
  • the bond may be an aromatic hydrocarbon group or an aromatic heterocyclic group, and may be bonded at both ends or in a branched manner.
  • c to f represent the number of substitutions, and c, e, and f each independently represent an integer of 0 to 3, preferably 0 to 1.
  • d represents an integer from 0 to 2, preferably 0.
  • Ar 4 to Ar 12 are each independently the same as those described for Ar 1 to Ar 3 , but when Ar 4 to Ar 12 represent a linked aromatic group, 2 to 3 aromatic rings are linked represents a substituted or unsubstituted linked aromatic group.
  • Ar 4 and Ar 5 may be bonded to each other to form a ring structure.
  • Ar 1 to Ar 12 are an alkylaryl amino group having 7 to 28 carbon atoms, a diarylamino group having 12 to 36 carbon atoms, an arylheteroarylamino group having 12 to 36 carbon atoms, or a diheteroarylamino group having 12 to 36 carbon atoms , an aromatic hydrocarbon group, an aromatic heterocyclic group, or a linked aromatic group, these may have a substituent.
  • substituent include deuterium, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cyano group, and an alkylsilyl group.
  • the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms may be any straight chain, branched chain, or cyclic alkyl group.
  • This substituent is preferably deuterium, a linear, branched, or cyclic alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a cyano group.
  • Specific examples include methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-octyl group, n-dodecyl group, n-tetradecyl group, n-octadecyl group.
  • Linear saturated hydrocarbon groups such as isopropyl group, isobutyl group, neopentyl group, 2-ethylhexyl group, branched saturated hydrocarbon groups such as 2-hexyloctyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclooctyl group, 4-butylcyclohexyl group
  • saturated alicyclic hydrocarbon groups such as 4-dodecylcyclohexyl group and 4-dodecylcyclohexyl group.
  • the substituent is substituted on an aromatic ring.
  • the compound represented by the general formula (1) of the present invention can be used for coupling such as Suzuki coupling, Stille coupling, Grignard coupling, Ullmann coupling, Buchwald-Hartwig reaction, Heck reaction, etc. using commercially available reagents as raw materials. It can be obtained by synthesis using various organic synthesis reactions established in the field of organic synthesis chemistry, including ring reactions, and then purification using known methods such as recrystallization, column chromatography, and sublimation purification. However, the method is not limited to this method.
  • the photoelectric conversion element material of the present invention has a highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level of ⁇ 4.0 eV or less obtained by structure optimization calculation using density functional calculation B3LYP/6-31G(D). It is preferably in the range of -6.0 eV to -4.3 eV, and even more preferably in the range of -4.9 eV to -4.4 eV.
  • HOMO highest occupied molecular orbital
  • the material for photoelectric conversion elements of the present invention has an energy level of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of ⁇ 2.5 eV or more obtained by structure optimization calculation using density functional calculation B3LYP/6-31G(D). It is preferably in the range of -2.0 eV to -0.5 eV, and even more preferably in the range of -1.5 eV to -1.0 eV.
  • LUMO lowest unoccupied molecular orbital
  • the difference (absolute value) between the HOMO energy level and the LUMO energy level is preferably within the range of 2.0 eV to 5.0 eV, more preferably 2.5 eV to 4.0 eV. It is within the range of 5 eV, more preferably between 3.5 eV and 4.5 eV.
  • the photoelectric conversion element material of the present invention preferably has a hole mobility of 1 ⁇ 10 ⁇ 6 cm 2 /Vs or more, preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 5 cm 2 /Vs to 1 cm 2 /Vs.
  • the hole mobility is preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 4 cm 2 /Vs to 1 ⁇ 10 ⁇ 2 cm 2 /Vs.
  • Hole mobility can be evaluated by a known method such as a method using an FET transistor element, a time-of-flight method, or an SCLC method.
  • the material for photoelectric conversion elements of the present invention is preferably amorphous.
  • the fact that it is amorphous can be confirmed by various methods, for example, by not detecting a peak in the XRD method or by not detecting an endothermic peak in the DSC method.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a structural example of a photoelectric conversion element for imaging according to the present invention, in which 1 is an electrode, 2 is a hole blocking layer, 3 is a photoelectric conversion layer, 4 is an electron blocking layer, and 5 is an electrode.
  • 6 represents the substrate. Note that the structure excluding the substrate is reversed from that in FIG. 1, that is, 1 is an electrode, 2 is an electron blocking layer, 3 is a photoelectric conversion layer, 4 is a hole blocking layer, 5 is an electrode, and 6 is a substrate. Also good.
  • the structure is not limited to the structure shown in FIG. 1, and layers can be added or omitted as necessary.
  • the electrode used in the imaging photoelectric conversion element using the imaging photoelectric conversion element material of the present invention has a function of collecting holes and electrons generated in the photoelectric conversion layer. Additionally, a function for allowing light to enter the photoelectric conversion layer is also required. Therefore, it is desirable that at least one of the two electrodes be transparent or semitransparent.
  • the material used for the electrode is not particularly limited as long as it has conductivity, but examples include ITO, IZO, SnO 2 , ATO (antimony-doped tin oxide), ZnO, AZO (Al-doped zinc oxide), and GZO ( conductive transparent materials such as gallium-doped zinc oxide), TiO2 and FTO; metals such as gold, silver, platinum, chromium, aluminium, iron, cobalt, nickel and tungsten; inorganic conductive substances such as copper iodide and copper sulfide; Examples include conductive polymers such as polythiophene, polypyrrole, and polyaniline. These materials may be used in combination if necessary. Moreover, two or more layers may be laminated.
  • the photoelectric conversion layer is a layer in which holes and electrons are generated by charge separation of excitons generated by incident light. Although it may be formed of a single photoelectric conversion material, it may be formed in combination with a P-type organic semiconductor material that is a hole-transporting material or an N-type organic semiconductor material that is an electron-transporting material. Moreover, two or more types of P-type organic semiconductors may be used, and two or more types of N-type organic semiconductors may be used. As one or more of these P-type organic semiconductors and/or N-type organic semiconductors, it is desirable to use a dye material having a function of absorbing light of a desired wavelength in the visible region.
  • a compound represented by the general formula (1) of the present invention can be used as a P-type organic semiconductor material that is a hole-transporting material.
  • the P-type organic semiconductor material may be any material as long as it has hole transport properties, and it is preferable to use a material represented by the general formula (1), but other P-type organic semiconductor materials may be used. Furthermore, two or more types of materials represented by general formula (1) may be used in combination. Furthermore, the compound represented by general formula (1) and other P-type organic semiconductor materials may be used in combination.
  • P-type organic semiconductor materials may be materials that have hole transport properties, such as fused polycyclic materials such as naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene, chrysene, naphthacene, triphenylene, perylene, fluoranthene, fluorene, and indene.
  • fused polycyclic materials such as naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene, chrysene, naphthacene, triphenylene, perylene, fluoranthene, fluorene, and indene.
  • examples of the polymeric P-type organic semiconductor material include polyphenylene vinylene derivatives, polyparaphenylene derivatives, polyfluorene derivatives, polyvinylcarbazole derivatives, and polythiophene derivatives. Further, two or more selected from the compound represented by the general formula (1), a P-type organic semiconductor material, and a polymer-type P-type organic semiconductor material may be used in combination.
  • the N-type organic semiconductor material may be any material that has electron transport properties, and examples of such materials include naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid diimide, fullerenes, and azole derivatives such as imidazole, thiazole, thiadiazole, oxazole, oxadiazole, and triazole. Two or more types of N-type organic semiconductor materials may be mixed and used.
  • the electron blocking layer is provided in order to suppress dark current caused by electrons being injected from one electrode into the photoelectric conversion layer when a bias voltage is applied between two electrodes. It also has a hole transporting function of transporting holes generated by charge separation in the photoelectric conversion layer to the electrode, and a single layer or multiple layers can be arranged as necessary.
  • a P-type organic semiconductor material which is a hole-transporting material, can be used for the electron block layer.
  • the P-type organic semiconductor material may be any material that has hole-transporting properties, and it is preferable to use a compound represented by the general formula (1), but other P-type organic semiconductor materials may also be used. Further, the compound represented by general formula (1) and other P-type organic semiconductor materials may be used in combination.
  • P-type organic semiconductor materials may be materials that have hole transport properties, such as fused polycyclic materials such as naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene, chrysene, naphthacene, triphenylene, perylene, fluoranthene, fluorene, and indene.
  • fused polycyclic materials such as naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene, chrysene, naphthacene, triphenylene, perylene, fluoranthene, fluorene, and indene.
  • examples of the polymeric P-type organic semiconductor material include polyphenylene vinylene derivatives, polyparaphenylene derivatives, polyfluorene derivatives, polyvinylcarbazole derivatives, and polythiophene derivatives. Further, two or more selected from the compound represented by the general formula (1) of the present invention, a P-type organic semiconductor material, and a polymer-type P-type organic semiconductor material may be used in combination.
  • the hole blocking layer is provided in order to suppress dark current caused by holes being injected from one electrode into the photoelectric conversion layer when a bias voltage is applied between two electrodes. It also has an electron transporting function of transporting electrons generated by charge separation in the photoelectric conversion layer to the electrode, and a single layer or multiple layers can be arranged as necessary.
  • the hole blocking layer an N-type organic semiconductor having electron transporting properties can be used.
  • the N-type organic semiconductor material may be any material that has electron transport properties, such as polycyclic aromatic polyvalent carboxylic acid anhydrides such as naphthalenetetracarboxylic acid diimide and perylenetetracarboxylic acid diimide, imidized products thereof, C60 and C70, azole derivatives such as imidazole, thiazole, thiadiazole, oxazole, oxadiazole, and triazole, tris(8-quinolinolato)aluminum(III) derivatives, phosphine oxide derivatives, nitro-substituted fluorene derivatives, diphenylquinone derivatives, Examples include thiopyrane dioxide derivatives, carbodiimide derivatives, flolenylidenemethane derivatives, anthraquinodimethane and anthrone derivatives, bipyridine derivatives, quinoline derivatives, and indolocarbazole derivatives. Furthermore, two or more of
  • the hydrogen in the materials of the invention may be deuterium. That is, in addition to hydrogen on the aromatic ring in general formula (1) or general formulas (2) to (8), some or all of the hydrogens in the substituents may be deuterium. Furthermore, part or all of the hydrogen contained in the compounds used as the N-type organic semiconductor material and the P-type organic semiconductor material may be deuterium.
  • each layer is not particularly limited, and may be produced by either a dry process or a wet process.
  • the organic layer containing the photoelectric conversion element material of the present invention can be formed into a plurality of layers, if necessary.
  • Synthesis example 1 (synthesis of intermediate R3) R1 (19.0 mmol), R2 (19.9 mmol), copper iodide (0.4 mmol), and tripotassium phosphate (56.9 mmol) were placed in a 500 ml three-neck flask that had been degassed and replaced with nitrogen, and 70 ml of dehydrated dioxane was added thereto. , and stirred at 120°C for 3 hours. After cooling to room temperature, inorganic substances were removed by filtration, 200 ml of water and 200 ml of dichloromethane were added to the filtrate, and the mixture was transferred to a separating funnel and fractionated into an organic layer and an aqueous layer.
  • Synthesis example 2 (synthesis of E42) R3 (10.3 mmol), R4 (13.3 mmol) synthesized in Synthesis Example 1, trisdibenzylideneacetone dipalladium (0.5 mmol), tri-tert-butylphosphine (2.1 mmol), and sodium were placed in a 300 ml three-necked flask that was degassed and replaced with nitrogen. -tert-butoxide (30.8 mmol) and 50 ml of dehydrated xylene were added, and the mixture was stirred at 120°C for 2 hours.
  • Physical property evaluation example Compound E42 was formed as an organic layer by vacuum evaporation on a glass substrate on which a transparent electrode made of ITO with a thickness of 110 nm was formed under conditions such that the film thickness was about 3 ⁇ m.
  • charge mobility was measured by the time-of-flight method using a device in which aluminum (Al) was formed to a thickness of 70 nm as an electrode, and the hole mobility was found to be 1.4 ⁇ 10 ⁇ 4 cm 2 / It was Vs.
  • Example 1 Compound E42 was formed to a thickness of 10 nm as an electron blocking layer at a degree of vacuum of 4.0 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa on an electrode made of ITO with a thickness of 70 nm formed on a glass substrate.
  • 2Ph-BTBT, F6-SubPc-OC6F5, and fullerene (C60) were codeposited to a thickness of 200 nm at a deposition rate ratio of 4:4:2 to form a film.
  • dpy-NDI was deposited to a thickness of 10 nm to form a hole blocking layer.
  • aluminum was formed into a film with a thickness of 70 nm as an electrode to produce a photoelectric conversion element.
  • Examples 2 to 6 A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the compounds shown in Table 3 were used as the electron block layer.
  • Comparative examples 1 to 3 A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the compounds shown in Table 3 were used as the electron block layer. The results of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 3.
  • Electrode 2 Hole blocking layer 3 Photoelectric conversion layer 4 Electronic blocking layer 5 Electrode 6 Substrate

Landscapes

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  • Heterocyclic Carbon Compounds Containing A Hetero Ring Having Nitrogen And Oxygen As The Only Ring Hetero Atoms (AREA)
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Abstract

撮像用光電変換素子の高感度化、高解像度化を実現する材料、及びこれを用いた撮像用光電変換素子を提供する。 一般式(1)で表される化合物からなる光電変換素子用材料を用いる。 Ar1~Ar3は重水素、炭素数1~20のアルキル基、炭素数12~36のアリールヘテロアリールアミノ基、炭素数6~18の芳香族炭化水素基等を表し、Ar1~Ar3のうち少なくとも一つは一般式(2)~(5)等のいずれかであり、XはC(Ar4Ar5)、O、S等であり、a及びbは0~4の整数である。*は一般式(1)との結合点を表し、L1及びL2は直接結合、炭素数6~18の芳香族炭化水素基、炭素数3~18の芳香族複素環基等のいずれかを表す。Ar4~Ar12はAr1~Ar3と同様であり、c、e、fは0~3の整数、dは0~2の整数を表す。

Description

光電変換素子用材料及びこれを用いた光電変換素子
 本発明は、光電変換素子用材料とそれを用いた光電変換素子に関するものであり、特に撮像デバイスに有用な光電変換素子用材料に関する。
 近年、有機半導体によって形成された薄膜を用いる有機エレクトロニクスデバイスの開発が進んでいる。例えば、電界発光素子、太陽電池、トランジスタ素子、光電変換素子などが例示できる。特に、これらの中でも、有機物による電界発光素子である有機EL素子の開発が最も進んでおり、スマートフォンやTVなどへの応用が進むと共に、さらなる高機能化を指向する開発が継続的に行われている。
 一方で、撮像用の光電変換素子は、従来、シリコンなどの無機半導体のP-N接合を用いた素子の開発・実用化が進んでおり、デジタルカメラ、スマートフォン用カメラの高機能化検討、監視用カメラ、自動車用センサーなどへの応用検討が行われているが、これら様々な用途に応じていくための課題として、高感度化、画素微細化(高解像度化)が挙げられている。無機半導体を用いる従来の光電変換素子では、カラー画像を得るために、光電変換素子の受光部上に光の三原色であるRGBに対応したカラーフィルターを配置する方式が主に採用されている。この方式では、RGBのカラーフィルターを平面上に配置するため、入射光の利用効率や解像度の点で課題があった(非特許文献1,2)。
 このような光電変換素子の課題の解決策の一つとして、無機半導体の替わりに有機半導体を用いる光電変換素子の開発が行われている(非特許文献1,2)。これは有機半導体が持つ、特定の波長域の光のみを選択的に高感度で吸収できる性質を利用するものであり、光の三原色に対応した有機半導体による光電変換素子を積層することによる高感度化、高解像度化の課題解決が提案されている。また、有機半導体からなる光電変換素子と無機半導体からなる光電変換素子を積層した素子も提案されている(非特許文献3)。
 ここで、有機半導体による光電変換素子は、2枚の電極の間に、有機半導体の薄膜からなる光電変換層を有し、必要に応じて光電変換層と2枚の電極の間に正孔ブロック層及び/または電子ブロック層が配置されることにより構成される素子である。光電変換素子では、光電変換層にて所望の波長を有する光を吸収することにより励起子が生成し、次いで、励起子の電荷分離により正孔と電子が生じる。その後、正孔と電子が各電極に移動することにより、光を電気信号に変換している。この過程を促進することを目的に、両電極間にはバイアス電圧を印加する手法が一般的に用いられているが、バイアス電圧を印加することにより生じる両電極からのリーク電流の低減が課題の一つとなる。このようなことから、光電変換素子内での正孔や電子の移動を制御することが、光電変換素子の特性発現の鍵となっていると言える。
 光電変換素子の各層に用いられる有機半導体はP型有機半導体とN型有機半導体に大別でき、P型有機半導体は正孔輸送性材料、N型有機半導体は電子輸送性材料として用いられる。光電変換素子内での正孔と電子の移動を制御するため、適切な物性、例えば、正孔移動度、電子移動度、最高被占分子軌道(HOMO)のエネルギー値、最低空軌道(LUMO)のエネルギー値を有する有機半導体の開発が種々行われているが、十分な特性を有しているとは言えない状況である。
 ところで、有機電界発光素子や、有機太陽電池の正孔輸送材料や電子阻止材料として優れる化合物が種々開示されているが、これらが撮像用の正孔輸送材料や電子阻止材料として優れているとは限らない。具体的には、撮像用の光電変換素子の正孔輸送材料に求められる重要な特性の一つとして、例えば、カメラが暗所において鮮明な撮像を行うためには、シャッターを閉じた状態の電流値とシャッターを開いた状態の電流値の差(明暗比)を大きくすることが重要となるため、暗所での電流値は低いほど好ましく、明所での電流値は高いほど好ましい。つまり「明暗比が高い」ことが重要になる。
 一方、有機電界発光素子においては、一定電流を流すために必要な電圧、発光効率、素子寿命等が改善の対象となる特性であり、撮像用の光電変換素子とは求められる特性が大きく異なる。また、有機太陽電池は、暗所/明所の双方において、発生電流量が多いことが重要であり、暗所の電流値が低い方が好ましい撮像用の光電変換素子とは要求される特性が異なる。
 以上のように、有機電界発光素子や有機太陽電池の正孔輸送材料や電子阻止材料と、撮像用の光電変換素子の正孔輸送材料や電子阻止材料では、必要とされる特性が異っているため、有機電界発光素子や有機太陽電池の正孔輸送材料電子阻止材料として優れる材料が、撮像用光電変換素子の正孔輸送材料電子阻止材料として優れるかどうかは、実験により確認するまでは明らかではない。
 ここで、特許文献1では、光電変換層にP型有機半導体としてキナクリドン、N型有機半導体としてサブフタロシアニンクロライド、光電変換層と電極との間に配置される第一バッファ層にインドロカルバゾール誘導体を用いる素子が提案されている。
 また、特許文献2では、光電変換層にP型有機半導体としてクリセノジチオフェン誘導体、N型有機半導体として、フラーレン類やサブフタロシアニン誘導体を用いる素子が提案されている。
 更に、特許文献3、及び4では、光電変換層と電極との間に配置される電子ブロック層にカルバゾール誘導体を用いる素子が提案されている。
 更にまた、特許文献5では、光電変換層と電極との間に配置される電子ブロック層にピレン誘導体やトリフェニレン誘導体を用いる素子が提案されている。
特開2018-85427号公報 特開2019-54228号公報 特開2011-228614号公報 特開2021-77888号公報 特開2015-153910号公報
NHK技研R&D No.132, pp.4-11(2012.3) NHK技研R&D No.174, pp.4-17(2019.3) 2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), pp.16.6.1-16.6.4(2019)
 撮像用の光電変換素子をデジタルカメラ、スマートフォン用カメラの高機能化や、監視用カメラ、自動車用センサーなどへの応用を進めていくためには、更なる高感度化、高解像度化が課題となる。本発明は、このような現状を踏まえ、撮像用の光電変換素子の高感度化、高解像度化を実現する材料、及びこれを用いた撮像用の光電変換素子を提供することを目的とする。
 本発明者らは、鋭意検討した結果、光電変換層での励起子の電荷分離による正孔と電子が生じる過程並びに、光電変換素子内での正孔と電子の移動の過程が、特定の化合物を用いることにより効率的に進むことを見出し、本発明を完成するに至った。
 本発明は、下記一般式(1)で表される化合物からなることを特徴とする光電変換素子用材料である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 一般式(1)において、
Ar~Arは、それぞれ独立して、重水素、シアノ基、ハロゲン、ニトロ基、炭素数1~20のアルキル基、炭素数7~38のアラルキル基、炭素数2~20のアルケニル基、炭素数2~20のアルキニル基、炭素数2~20のアシル基、炭素数2~20のアシルオキシ基、炭素数1~20のアルコキシ基、炭素数2~20のアルコキシカルボニル基、炭素数2~20のアルコキシカルボニルオキシ基、炭素数1~20のアルキルスルホニル基、炭素数2~20のジアルキルアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数7~28のアルキルアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のジアーリルアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のアリールヘテロアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のジヘテロアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基、置換若しくは未置換の炭素数3~18の芳香族複素環基、又はこれらの該芳香族炭化水素基及び該芳香族複素環基の芳香族基が2~10個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表すが、Ar~Arのうち少なくとも一つは下記一般式(2)~(8)のいずれかで表される。なお、Ar~Arが水素原子を有する基の場合、該水素原子が重水素若しくはハロゲンで置換されていてもよい。
XはC(ArAr)、NAr、O、又はSを表す。
a、及びbは置換数を表し、それぞれ独立に0~4の整数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 一般式(2)~(8)において、
*は一般式(1)との結合点を表す。
及びLは、それぞれ独立して直接結合、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基、置換若しくは未置換の炭素数3~18の芳香族複素環基、又はこれらの芳香族環が2~3個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表す。
Ar~Ar12は、それぞれ独立して、Ar~Arで述べたものと同様であるが、Ar~Ar12が連結芳香族基を表す場合、芳香族環が2~3個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表す。Ar、Arは、互いに結合して環構造を形成してもよい。
c~fは置換数を表し、c、e、fはそれぞれ独立して0~3の整数を表し、dは0~2の整数を表す。
 前記一般式(1)は、下記一般式(9)~(12)のいずれかで表されることが好ましい。前記一般式(1)は、下記一般式(9)、(11)、(12)のいずれかで表されることがより好ましく、下記一般式(11)、(12)のいずれかで表されることがさらに好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
 なお、一般式(9)~(12)において、Ar~Ar、及びa、bは前記一般式(1)で述べた内容と同様である。
 前記一般式(1)におけるAr~Arのうち少なくとも一つが、前記一般式(2)~(8)のいずれかで表されるのが好ましく、前記一般式(2)、(3)、(5)、(7)、及び(8)のいずれかで表されることがより好ましい。
 また、前記一般式(2)~(8)におけるLは、単結合であるのが好ましい。
 上記光電変換素子用材料は、密度汎関数計算B3LYP/6-31G(d)による構造最適化計算で得られる最高被占分子軌道(HOMO)のエネルギー準位が-4.0eV以下であるのが好ましい。また、最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位が-2.5eV以上であることが好ましい。
 上記光電変換素子用材料は、1×10-6cm/Vs以上の正孔移動度を有するのが好ましい。また、上記光電変換素子用材料は、非晶質であるのが好ましい。
 上記光電変換素子用材料は、正孔輸送性材料として使用することができる。
 また、本発明は、2枚の電極の間に、光電変換層と電子ブロック層を有する撮像用光電変換素子において、光電変換層、電子ブロック層の少なくとも一つの層に、上記光電変換素子用材料を含むことを特徴とする光電変換素子である。
 本発明の光電変換素子は、電子ブロック層に上記光電変換素子用材料を含むことができ、光電変換層にフラーレン誘導体等のような電子輸送性材料を含むことができる。
 本発明の光電変換素子用材料は、撮像用の光電変換素子に適用できるが、その他の光情報を信号に変換するセンサーや、太陽電池等へ適用することも可能である。本発明の光電変換素子用材料を、撮像用の光電変換素子に適用した場合、正孔や電子の適切な移動を実現できるため、光を電気エネルギーに変換する際のバイアス電圧の印加により生じるリーク電流の低減が可能となり、その結果、低い暗電流値と高い明暗比を実現する光電変換素子を得ることができたと考えられる。よって、本発明の材料は、光電変換膜積層型撮像デバイスの光電変換素子用材料として有用である。
本発明で用いられる光電変換素子の構造例を示す断面模式図である。
 本発明における光電変換素子は、2枚の電極の間に、少なくとも1層の有機層を有しており、光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である。その有機層に上記一般式(1)で表される化合物からなる光電変換素子用材料を含有する。詳しくは、2枚の電極の間に、光電変換層と電子ブロック層を有する撮像用光電変換素子において、光電変換層、電子ブロック層の少なくとも一つの層に、上記一般式(1)で表される光電変換素子用材料を含有する。以下、一般式(1)で表される化合物からなる光電変換素子用材料を単に光電変換素子用材料と言う。また、本発明の材料又は一般式(1)で表される化合物とも言う場合がある。
 上記一般式(1)で表される化合物について、以下に説明する。
 上記一般式(1)の好ましい形態として、前記一般式(9)~(12)で表されるが、好ましくは一般式(9)、(11)、又は(12)であり、なかでも、一般式(11)、又は(12)で表されることがより好ましい。
 一般式(9)~(12)において、Ar~Ar、及びa、bは前記一般式(1)で述べた内容と同様である。
 上記一般式(1)において、Ar~Arのうち少なくとも一つは前記一般式(2)~(8)のいずれかで表されるが、Arが一般式(2)~(8)のいずれかで表されることが好ましい。
 上記一般式(1)において、Ar~Arのうち少なくとも一つは前記一般式(2)~(8)のいずれかで表されるが、一般式(2)、(3)、(5)、(7)、又は(8)のいずれかで表されることが好ましく、一般式(2)、(5)、又は(8)のいずれかで表されることがより好ましい。
 一般式(2)~(8)において、*は一般式(1)との結合点を表し、L、L、Ar~Ar12、c~fは前記一般式(2)~(8)で述べた内容と同様である。
 Ar~Arは、それぞれ独立して、重水素、シアノ基、ハロゲン、ニトロ基、炭素数1~20のアルキル基、炭素数7~38のアラルキル基、炭素数2~20のアルケニル基、炭素数2~20のアルキニル基、炭素数2~20のアシル基、炭素数2~20のアシルオキシ基、炭素数1~20のアルコキシ基、炭素数2~20のアルコキシカルボニル基、炭素数2~20のアルコキシカルボニルオキシ基、炭素数1~20のアルキルスルホニル基、炭素数2~20のジアルキルアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数7~28のアルキルアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のジアーリルアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のアリールヘテロアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のジヘテロアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基、置換若しくは未置換の炭素数3~18の芳香族複素環基、又はこれらの該芳香族炭化水素基及び該芳香族複素環基の芳香族基が2~10個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表す。なかでも、好ましくは置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族複素環基、又はこれらの芳香族炭化水素基及び芳香族複素環基における芳香族基が2~10個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基である。また、Ar~Arにおいて、これらの基が水素原子を有する場合、該水素原子が重水素若しくはハロゲンで置換されていてもよい。なお、前述したように、Ar~Arのうち少なくとも一つは前記一般式(2)~(8)のいずれかで表される。
 Ar~Arのうち、上記炭素数1~20のアルキル基は、直鎖、分岐鎖、環状のいずれのアルキル基でもよく、好ましくは、炭素数1~10の直鎖、分岐鎖、又は環状のアルキル基である。その具体例として、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-オクチル基、n-ドデシル基、n-テトラデシル基、n-オクタデシル基の如き直鎖飽和炭化水素基、イソプロピル基、イソブチル基、ネオペンチル基、2-エチルヘキシル基、2-ヘキシルオクチル基等の分岐飽和炭化水素基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロオクチル基、4-ブチルシクロヘキシル基等の飽和脂環炭化水素基等が挙げられる。
 また、炭素数7~38のアラルキル基の具体例としては、ベンジル基、フェネチル基、フェニルプロピル基、フェニルブチル基、ナフチルメチル基、トリフェニレニルメチル基等が挙げられる。炭素数2~20のアルケニル基の具体例としては、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンテン基、シクロペンテン基、ヘキセン基、シクロヘキセン基、オクテン基等が挙げられる。炭素数2~20のアルキニル基の具体例としては、アセチレン基、プロピン基、ブチン基、ペンチン基等が挙げられる。炭素数2~20のアシル基の具体例としては、ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ベンゾイル基等が挙げられる。炭素数2~20のアシルオキシ基の具体例としては、メタノイル基、エタノイル基、プロパノイル基、ブタノイル基、ベンゾイル基、プロペノイル基、ブテノイル基等が挙げられる。炭素数1~20のアルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等が挙げられる。炭素数2~20のアルコキシカルボニル基の具体例としては、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、プロポキシカルボニル基、ブトキシカルボニル基、ペントキシカルボニル基等が挙げられる。炭素数2~20のアルコキシカルボニルオキシ基の具体例としては、メトキシカルボニルオキシ基、エトキシカルボニルオキシ基、プロポキシカルボニルオキシ基、ブトキシカルボニルオキシ基、ペントキシカルボニルオキシ基等が挙げられる。炭素数1~20のアルキルスルホニル基の具体例としては、メチルスルホニル、エチルスルホニル、プロピルスルホニル、ブチルスルホニル、ペンチルスルホニル等が挙げられる。
 Ar~Arがアミノ基を表す場合、炭素数2~20のジアルキルアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数7~28のアルキルアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のジアーリルアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のアリールヘテロアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のジヘテロアリールアミノ基等を表す。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-オクチル基の如き直鎖飽和炭化水素基、イソプロピル基、イソブチル基、ネオペンチル基、2-エチルヘキシル基等の分岐飽和炭化水素基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロオクチル基、4-ブチルシクロヘキシル基等の飽和脂環炭化水素基等が挙げられる。アリール基の具体例としては、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、クアテルフェニル基、ナフチル基、フェナントレニル基、アントラセニル基、トリフェニレニル基、ピレニル基、フルオレニル基、スピロビフルオレニル基等が挙げられる。ヘテロアリール基の具体例としては、ピロール、ピロロピロール、インドール、ピロロインドール、ベンゾインドール、ナフトピロール、イソインドール、ピロロイソインドール、ベンゾイソインドール、ナフトイソピロール、カルバゾール、フェノキサジン、フェノチアジン、アクリジン、フェナジン、ベンゾカルバゾール、インドロインドール、インドロカルバゾール、カルバゾロカルバゾール、ベンゾフロカルバゾール、ベンゾチエノカルバゾール、カルボリン、チオフェン、ベンゾチオフェン、ナフトチオフェン、ジベンゾチオフェン、ベンゾチエノナフタレン、ベンゾチエノベンゾチオフェン、ベンゾチエノジベンゾチオフェン、ジナフトチオフェン、ジナフトチエノチオフェン、ナフトベンゾチオフェン、フラン、ベンゾフラン、ナフトフラン、ジベンゾフラン、ベンゾフロナフタレン、ベンゾフロベンゾフラン、ベンゾフロジベンゾフラン、ジナフトフラン、ジナフトフラノフラン、ナフトベンゾフラン、ピリジン、ピリミジン、トリアジン、キノリン、イソキノリン、キナゾリン、キノキサリン等から生じる基が挙げられる。ジアルキルアミノ基の具体例としては、ジメチルアミノ基、メチルエチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ジプロピルアミノ基、ジ-n-ブチルアミノ基、ジ-t-ブチルアミノ基、ジペンチルアミノ基、ジヘキシルアミノ基、ジシクロヘキシルアミノ基、ジヘプチルアミノ基、ジオクチルアミノ基、ジノニルアミノ基、ジデシルアミノ基等から生じる基が挙げられる。アルキルアリールアミノ基の具体例としては、メチルフェニルアミノ基、エチルフェニルアミノ基、プロピルフェニルアミノ基、ブチルフェニルアミノ基、シクロヘキシルフェニルアミノ基、シクロヘキシルナフチルアミノ基、シクロヘキシルフルオレニルアミノ基、シクロヘキシルフェナントレニルアミノ基、シクロヘキシルフルオランテニルアミノ基、シクロヘキシルトリフェニレニルアミノ基等から生じる基が挙げられる。ジアリールアミノ基の具体例としては、ジフェニルアミノ基、フェニルナフチルアミノ基、ジナフチルアミノ基、フェニルアントラセニルアミノ基、フェニルフルオレニルアミノ基、フェニルフェナントレニルアミノ基、フェニルフルオランテニルアミノ基、フェニルトリフェニレニルアミノ基、ジフルオレニルアミノ基、ナフチルトリフェニレニルアミノ基、ジトリフェニレニルアミノ基等から生じる基が挙げられる。アリールヘテロアリールアミノ基の具体例としては、フェニルピリジルアミノ基、フェニルインドリル基、フェニルジベンゾフラニルアミノ基、フェニルジベンゾチオフェニルアミノ基等から生じる基が挙げられる。ジヘテロアリールアミノ基の具体例としては、bis-ジベンゾフラニルアミノ基、bis-ジベンゾチオフェニルアミノ基、bis-カルバゾリルアミノ基、ジベンゾフラニルカルバゾリルアミノ基、ジベンゾフラニルジベンゾチオフェニルアミノ基、ジベンゾチオフェニルカルバゾリルアミノ基等から生じる基が挙げられる。
 また、Ar~Arにおいて、未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基としては、公知の芳香族炭化水素から1つの水素を除いた基を挙げることができる。このような芳香族炭化水素基としては、例えば、ベンゼンの如き単環式芳香族炭化水素、ナフタレンの如き2環式芳香族炭化水素、インダセン、ビフェニレン、フェナレン、アントラセン、フェナンスレン、フルオレンの如き3環式芳香族炭化水素、フルオランテン、アセフェナントリレン、アセアントリレン、トリフェニレン、ピレン、クリセン、テトラフェン、テトラセン、プレイアデンの如き4環式芳香族炭化水素などから生じる基を挙げることができる。好ましくはベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、トリフェニレン、又はピレンから生じる基である。
 また、Ar~Arにおいて、未置換の炭素数3~18の芳香族複素環基としては、芳香族複素環基から、1つ水素を除いた基を挙げることができる。このような芳香族複素環基としては、例えば、ピロール、ピロロピロール、インドール、ピロロインドール、ベンゾインドール、ナフトピロール、イソインドール、ピロロイソインドール、ベンゾイソインドール、ナフトイソピロール、カルバゾール、ベンゾカルバゾール、インドロインドール、カルバゾロカルバゾール、インドロカルバゾール、カルボリンの如きピロール環を有する含窒素芳香族化合物、チオフェン、ベンゾチオフェン、ナフトチオフェン、フェノチアジン、ジベンゾチオフェン、ベンゾチエノナフタレン、ベンゾチエノベンゾチオフェン、ベンゾチエノジベンゾチオフェン、ジナフトチオフェン、ジナフトチエノチオフェン、ナフトベンゾチオフェン、ベンゾチエノカルバゾールの如きチオフェン環を有する含硫黄芳香族化合物、フラン、ベンゾフラン、ナフトフラン、フェノキサジン、ジベンゾフラン、ベンゾフロナフタレン、ベンゾフロベンゾフラン、ベンゾフロジベンゾフラン、ジナフトフラン、ジナフトフラノフラン、ナフトベンゾフラン、ベンゾフロカルバゾールの如きフラン環を有する含酸素芳香族化合物、ピリジン、ピリミジン、トリアジン、キノリン、イソキノリン、キナゾリン、キノキサリンなどから生じる基を例として示すことができる。好ましくは、ジベンゾフラン、ジベンゾチオフェン、カルバゾール、フェノキサジン、フェノチアジン、ベンゾチエノジベンゾチオフェン、ベンゾフロジベンゾフラン、ベンゾフロカルバゾール、又はベンゾチエノカルバゾールから生じる基である。
 更に、本明細書において、芳香族炭化水素基及び芳香族複素環基の芳香族基が連結した未置換の連結芳香族基とは、2以上の芳香族基が単結合で結合して連結した芳香族基をいう。これらの連結芳香族基は直鎖状であっても、分岐してもよい。ベンゼン環同士が連結する際の連結位置はオルト、メタ、パラ、いずれでもよいが、パラ連結、又はメタ連結が好ましい。芳香族基は芳香族炭化水素基であっても、芳香族複素環基であってもよく、複数の芳香族基は同一であっても、異なってもよい。
 ここで、Ar~Arが連結芳香族基を表す場合、その連結数は2~10個、好ましくは2~8個であり、より好ましくは2~6個である。なお、Ar~Arが連結芳香族基を表す場合の連結数は、式(2)~(8)に記載の2つのカルバゾール(CBZ)基、L、L、及びAr~Ar12に含まれる芳香族炭化水素基、及び芳香族複素環基の連結数の合計となる。
 また、一般式(1)、及び一般式(9)~(12)において、a及びbは置換数を表し、それぞれ独立に0~4の整数を表すが、好ましくは0~2であり、より好ましくは0である。
 また、一般式(2)~(8)において、L及びLは、それぞれ独立して直接結合、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基、置換若しくは未置換の炭素数3~18の芳香族複素環基、又はこれらの芳香族環が2~3個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表す。Lは直接結合、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基であることが好ましく、より好ましくは直接結合である。Lは直接結合、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基であることが好ましく、より好ましくは置換若しくは未置換の炭素数6~12の芳香族炭化水素基である。L及びLにおいて、未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基、及び未置換の炭素数3~18の芳香族複素環基の具体例としては、芳香族炭化水素から2つの水素を除いた基であることを除いてAr~Arで説明したものと同様である。
 なお、L、及びLが連結芳香族基である場合、式(2)~(8)に記載の2つのカルバゾール(CBZ)基、及び式(1)は、連結芳香族基に含まれる芳香族炭化水素基、又は芳香族複素環基のいずれで結合してもよく、両端で結合しても分岐状に結合してもよい。
 c~fは置換数を表し、c、e、fはそれぞれ独立して0~3の整数を表すが、好ましくは0~1である。dは0~2の整数を表すが、好ましくは0である。
 Ar~Ar12は、それぞれ独立して、Ar~Arで述べたものと同様であるが、Ar~Ar12が連結芳香族基を表す場合、芳香族環が2~3個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表す。Ar、Arは、互いに結合して環構造を形成してもよい。
 Ar~Ar12が、炭素数7~28のアルキルアリールアミノ基、炭素数12~36のジアーリルアミノ基、炭素数12~36のアリールヘテロアリールアミノ基、炭素数12~36のジヘテロアリールアミノ基、芳香族炭化水素基、芳香族複素環基、又は連結芳香族基である場合、これらは置換基を有してもよい。その置換基としては、重水素、炭素数1~20のアルキル基、シアノ基、アルキルシリル基等を挙げることができる。炭素数1~20のアルキル基は直鎖、分岐鎖、環状のいずれのアルキル基でもよい。この置換基について、好ましくは、重水素、炭素数1~10の直鎖、分岐鎖、又は環状のアルキル基又はシアノ基である。その具体例として、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-オクチル基、n-ドデシル基、n-テトラデシル基、n-オクタデシル基の如き直鎖飽和炭化水素基、イソプロピル基、イソブチル基、ネオペンチル基、2-エチルヘキシル基、2-ヘキシルオクチル基等の分岐飽和炭化水素基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロオクチル基、4-ブチルシクロヘキシル基、4-ドデシルシクロヘキシル基等の飽和脂環炭化水素基を例示できる。なお、本発明において、置換基は芳香族環に置換する。
 本発明の光電変換素子用材料である一般式(1)で表される化合物の好ましい具体例を以下に示すが、これらに限定するものではない。
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 本発明の一般式(1)で表される化合物は、市販の試薬類を原料とするスズキカップリング、スティルカップリング、グリニャールカップリング、ウルマンカップリング、ブッフヴァルト・ハートウィッグ反応、ヘック反応などカップリング反応を含む有機合成化学分野で確立されている種々の有機合成反応による方法で合成した後に、再結晶、カラムクロマトグラフィー、昇華精製等の公知の方法を用いて精製することにより得ることができるが、この方法に限定されるものではない。
 本発明の光電変換素子用材料は、密度汎関数計算B3LYP/6-31G(D)による構造最適化計算で得られる最高被占分子軌道(HOMO)のエネルギー準位が-4.0eV以下であることが好ましく、より好ましくは-6.0eV~-4.3eVの範囲であり、-4.9eV~-4.4eVの範囲であることがさらに好ましい。
 本発明の光電変換素子用材料は、密度汎関数計算B3LYP/6-31G(D)による構造最適化計算で得られる最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位が-2.5eV以上であることが好ましく、より好ましくは-2.0eV~-0.5eVの範囲であり、-1.5eV~-1.0eVの範囲であることがさらに好ましい。
 本発明の光電変換素子用材料は、HOMOエネルギー準位とLUMOエネルギー準位との差(絶対値)が、好ましくは2.0eV~5.0eVの範囲内、より好ましくは2.5eV~4.5eVの範囲内であり、3.5eV~4.5eVの範囲であることがさらに好ましい。
 本発明の光電変換素子用材料は、1×10-6cm/Vs以上の正孔移動度を有するのがよく、好ましくは1×10-5cm/Vs~1cm/Vsの正孔移動度を有し、より好ましくは1.0×10-4cm/Vs~1×10-2cm/Vsの正孔移動度を有するのがよい。正孔移動度は、FET型トランジスタ素子による方法、タイムオブフライト法による方法、SCLC法など公知の方法によって評価できる。
 本発明の光電変換素子用材料は非晶質であることが好ましい。非晶質であることは、種々の方法により確認可能であるが、例えば、XRD法にてピークが検出されないことや、DSC法にて吸熱ピークが検出されないことにより確認できる。
 次に、本発明の光電変換素子用材料を用いる撮像用光電変換素子について説明するが、本発明の撮像用光電変換素子の構造はこれに限定されない。図面を参照しながら説明する。
 図1は本発明の撮像用光電変換素子の構造例を模式的に示す断面図であり、1は電極、2は正孔ブロック層、3は光電変換層、4は電子ブロック層、5は電極、6は基板を表わす。尚、基板を除く構成が図1とは逆転した構造、すなわち、1が電極、2が電子ブロック層、3が光電変換層、4が正孔ブロック層、5が電極、6が基板となっても良い。図1の構造に限定されるものではなく、必要に応じて層を追加もしくは、省略することが可能である。
-電極-
 本発明の撮像用光電変換素子用材料を用いる撮像用光電変換素子に用いられる電極は、光電変換層にて生成する正孔及び電子を捕集する機能を有する。また、光を光電変換層に入射させる機能も必要となる。よって、2枚の電極の内の少なくとも1枚は透明または半透明であることが望ましい。また、電極として用いる材料は、導電性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、ITO、IZO、SnO、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)、ZnO、AZO(Alドープ酸化亜鉛)、GZO(ガリウムドープ酸化亜鉛)、TiO及びFTO等の導電性透明材料、金、銀、白金、クロム、アルミニウム、鉄、コバルト、ニッケル及びタングステン等の金属、ヨウ化銅及び硫化銅等の無機導電性物質、ポリチオフェン、ポリピロール及びポリアニリン等の導電性ポリマーなどが例示できる。これらの材料は必要により複数を混合して使用してもよい。また、2層以上を積層してもよい。
-光電変換層-
 光電変換層は、入射光により生成した励起子の電荷分離により正孔と電子が生成する層である。単独の光電変換材料で形成されてもよいが、正孔輸送性材料であるP型有機半導体材料や、電子輸送性材料であるN型有機半導体材料と組み合わせて形成されてもよい。また、2種以上のP型有機半導体を用いてもよく、2種以上のN型有機半導体を用いてもよい。これらP型有機半導体及び/またはN型有機半導体の1種以上は、可視領域での所望の波長の光を吸収する機能を有する色素材料を用いることが望ましい。正孔輸送性材料であるP型有機半導体材料として、本発明の一般式(1)で表される化合物を用いることができる。
 P型有機半導体材料としては、正孔輸送性を有する材料であればよく、一般式(1)に表される材料を用いることが好ましいが、他のP型有機半導体材料を用いてもよい。また、2種以上の一般式(1)に表される材料を混合して用いてもよい。更に一般式(1)で表される化合物と他のP型有機半導体材料を混合して用いてもよい。
 他のP型有機半導体材料としては、正孔輸送性を有する材料であればよく、例えば、ナフタレン、アントラセン、フェナンスレン、ピレン、クリセン、ナフタセン、トリフェニレン、ペリレン、フルオランテン、フルオレン、インデンなどの縮合多環芳香族基を有する化合物、シクロペンタジエン誘導体、フラン誘導体、チオフェン誘導体、ピロール誘導体、ベンゾフラン誘導体、ベンゾチオフェン誘導体、ジナフトチエノチオフェン誘導体、インドール誘導体、ピラゾリン誘導体、ジベンゾフラン誘導体、ジベンゾチオフェン誘導体、カルバゾール誘導体、インドロカルバゾール誘導体などのπ過剰系芳香族基を有する化合物、芳香族アミン誘導体、スチリルアミン誘導体、ベンジジン誘導体、ポルフィリン誘導体、フタロシアニン誘導体、 キナクリドン誘導体を用いることができる。
 また、高分子型P型有機半導体材料としてポリフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリチオフェン誘導体を例示できる。また、一般式(1)で表される化合物、P型有機半導体材料や高分子型P型有機半導体材料から選ばれる2種以上を混合して用いてもよい。
 N型有機半導体材料としては、電子輸送性を有する材料であればよく、例えば、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミドやペリレンテトラカルボン酸ジイミド、フラーレン類、イミダゾール、チアゾール、チアジアゾール、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾールなどのアゾール誘導体などが例示できる。また、N型有機半導体材料から選ばれる2種以上を混合して用いてもよい。
-電子ブロック層-
 電子ブロック層は、2枚の電極の間にバイアス電圧を印加した際に、片方の電極から光電変換層に電子が注入されることにより生じる暗電流を抑制するために設けられている。また、光電変換層での電荷分離により生じる正孔を電極に輸送する正孔輸送としての機能も有しており、必要に応じて単層または複数層を配置することができる。電子ブロック層には、正孔輸送性材料であるP型有機半導体材料を用いることができる。P型有機半導体材料としては、正孔輸送性を有する材料であればよく、一般式(1)に表される化合物を用いることが好ましいが、他のP型有機半導体材料を用いてもよい。また、一般式(1)に表される化合物と他のP型有機半導体材料を混合して用いてもよい。他のP型有機半導体材料としては、正孔輸送性を有する材料であればよく、例えば、ナフタレン、アントラセン、フェナンスレン、ピレン、クリセン、ナフタセン、トリフェニレン、ペリレン、フルオランテン、フルオレン、インデンなどの縮合多環芳香族基を有する化合物、シクロペンタジエン誘導体、フラン誘導体、チオフェン誘導体、ピロール誘導体、ベンゾフラン誘導体、ベンゾチオフェン誘導体、ジナフトチエノチオフェン誘導体、インドール誘導体、ピラゾリン誘導体、ジベンゾフラン誘導体、ジベンゾチオフェン誘導体、カルバゾール誘導体などのπ過剰系芳香族基を有する化合物、芳香族アミン誘導体、スチリルアミン誘導体、ベンジジン誘導体、ポルフィリン誘導体、フタロシアニン誘導体、 キナクリドン誘導体を用いることができる。
 また、高分子型P型有機半導体材料としてポリフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリチオフェン誘導体を例示できる。また、本発明の一般式(1)で表される化合物、P型有機半導体材料や高分子型P型有機半導体材料から選ばれる2種以上を混合して用いてもよい。
-正孔ブロック層-
 正孔ブロック層は、2枚の電極の間にバイアス電圧を印加した際に、片方の電極から光電変換層に正孔が注入されることにより生じる暗電流を抑制するために設けられている。また、光電変換層での電荷分離により生じる電子を電極に輸送する電子輸送としての機能も有しており、必要に応じて単層又は複数層を配置することができる。正孔ブロック層には、電子輸送性を有するN型有機半導体を用いることができる。
 N型有機半導体材料としては、電子輸送性を有する材料であればよく、例えば、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミドやペリレンテトラカルボン酸ジイミドの如き多環芳香族多価カルボン酸無水物やそのイミド化物、C60やC70の如きフラーレン類、イミダゾール、チアゾール、チアジアゾール、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾールなどのアゾール誘導体、トリス(8-キノリノラート)アルミニウム(III)誘導体、ホスフィンオキサイド誘導体、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、カルボジイミド誘導体、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、ビピリジン誘導体、キノリン誘導体、インドロカルバゾール誘導体などが例示できる。また、これらのN型有機半導体材料の2種以上を混合して用いてもよい。
 上述したように、本発明の材料中の水素は重水素であってもよい。すなわち、一般式(1)、又は一般式(2)~(8)における芳香族環上の水素のほか、置換基の水素の一部又は全部が重水素であってもよい。
 更には、上記N型有機半導体材料、及びP型有機半導体材料として使用される化合物が有する水素の一部又は全部が重水素であってもよい。
 本発明の撮像用光電変換素子を作製する際の、各層の製膜方法は特に限定されず、ドライプロセス、ウェットプロセスのどちらで作製してもよい。
 本発明の光電変換素子用材料を含む有機層は、必要に応じて、複数層とすることもできる。
 以下、本発明を実施例によって更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
計算例
HOMO及びLUMOの計算
 上記化合物A4、C13、D61、E42、E45、E58、E126、F42及びF125のHOMO、LUMO、及びHOMOとLUMOのエネルギー差を計算した。なお、計算は、密度汎関数法(DFT:Density Functional Theory)による計算を用い、計算プログラムとしては、Gaussianを用い、密度汎関数計算B3LYP/6-31G(d) による構造最適化計算により計算した。結果を表1に示す。本発明の光電変換素子用材料のいずれもが、好ましいHOMO及びLUMO値を有していると言える。
 比較化合物としてH1、H2、H3のHOMO、LUMO、及びHOMOとLUMOのエネルギー差を同様の方法で計算した。結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000059
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000060
 以下、代表例として、化合物E42の合成例を示す。他の化合物についても、類似の方法で合成した。
合成例1(中間体R3の合成)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000061
 脱気窒素置換した500ml三口フラスコにR1(19.0mmol)、R2(19.9mmol)、ヨウ化銅(0.4mmol)、りん酸三カリウム(56.9mmol)を投入し、これに脱水ジオキサン70mlを加えた後、120℃にて3時間撹拌した。室温まで冷却した後、無機物をろ過にて取り除き、濾液に水200ml、ジクロロメタン200mlを加え、分液ロートへ移し、有機層と水層に分画した。有機層を200mlの水で三回洗浄し、得られた有機層を硫酸マグネシウムで脱水した後、減圧濃縮した。得られた残渣を、カラムクロマトグラフィーで精製してR3(淡黄色固体)を得た。収量:7.5g、収率:81.3%であった。
合成例2(E42の合成)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000062
 脱気窒素置換した300ml三口フラスコに合成例1で合成したR3(10.3mmol)、R4(13.3mmol)、トリスジベンジリデンアセトンジパラジウム(0.5mmol)、トリ-tert-ブチルホスフィン(2.1mmol)、ナトリウム-tert-ブトキシド(30.8mmol)、脱水キシレン50mlを投入し、120℃にて2時間撹拌した。室温まで冷却した後、無機物をろ過にて取り除き、濾液に水200ml、ジクロロメタン200mlを加え、分液ロートへ移し、有機層と水層に分画した。有機層を200mlの水で三回洗浄し、得られた有機層を硫酸マグネシウムで脱水した後、減圧濃縮した。得られた残渣を、カラムクロマトグラフィーで精製してE42(淡黄色固体)を得た。収量:4.2g、収率:69.4%であった。得られた固体をXRD法にて評価したがピークが検出されなかったため、本化合物は非晶質であることがわかった。
物性評価例
 膜厚110nmのITOからなる透明電極が形成されたガラス基板上に、真空蒸着法にて有機層として化合物E42を膜厚が約3μmとなる条件で製膜した。ついで、電極としてアルミニウム(Al)を70nmの厚さに形成した素子を用いて、タイムオブフライト法による電荷移動度測定を行った結果、正孔移動度は1.4×10-4cm/Vsであった。
 化合物E42を、A04、C13、E45、E126、F125、H1、H2、又はH3に代えたほかは同様に操作を行い、正孔移動度の評価を行った。結果を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000063
実施例1
 ガラス基板上に形成された膜厚70nmのITOからなる電極の上に、真空度4.0×10-5Paにて電子ブロック層として化合物E42を10nmの厚みに成膜した。次いで、光電変換層として、2Ph-BTBT、F6-SubPc-OC6F5、フラーレン(C60)を蒸着速度比4:4:2で200nm共蒸着し、成膜した。引き続き、dpy-NDIを10nm蒸着し、正孔ブロック層を形成した。最後に、電極としてアルミニウムを70nmの厚みに成膜して、光電変換素子を作製した。ITOとアルミニウムを電極として2.6Vの電圧を印加した際の、暗所での電流(暗電流)は5.1×10-10A/cmであった。また、2.6Vの電圧を印加し、ITO電極側に照射光波長500nm、1.6μWに調整したLEDで10cmの高さから光照射を行った場合の電流(明電流)は3.7×10-7A/cmであった。2.6V電圧印加したときの明暗比は7.3×10であった。これらの結果を表3に示す。
実施例2~6
 電子ブロック層として表3に示す化合物を使用した以外は実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
比較例1~3
 電子ブロック層として表3に示す化合物を使用した以外は実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
 実施例1~6、及び比較例1~3の結果を表3に示す。
 実施例及び比較例で使用した化合物を次に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000064
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000065
1 電極
2 正孔ブロック層
3 光電変換層
4 電子ブロック層
5 電極
6 基板 

Claims (15)

  1.  下記一般式(1)で表される化合物からなることを特徴とする光電変換素子用材料。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
     一般式(1)において、
    Ar~Arは、それぞれ独立して、重水素、シアノ基、ハロゲン、ニトロ基、炭素数1~20のアルキル基、炭素数7~38のアラルキル基、炭素数2~20のアルケニル基、炭素数2~20のアルキニル基、炭素数2~20のアシル基、炭素数2~20のアシルオキシ基、炭素数1~20のアルコキシ基、炭素数2~20のアルコキシカルボニル基、炭素数2~20のアルコキシカルボニルオキシ基、炭素数1~20のアルキルスルホニル基、炭素数2~20のジアルキルアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数7~28のアルキルアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のジアーリルアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のアリールヘテロアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数12~36のジヘテロアリールアミノ基、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基、置換若しくは未置換の炭素数3~18の芳香族複素環基、又はこれらの該芳香族炭化水素基及び該芳香族複素環基の芳香族基が2~10個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表すが、Ar~Arのうち少なくとも一つは下記一般式(2)~(8)のいずれかで表される。なお、Ar~Arが水素原子を有する基の場合、該水素原子が重水素若しくはハロゲンで置換されていてもよい。
    XはC(ArAr)、NAr、O、又はSを表す。
    a、及びbは置換数を表し、それぞれ独立に0~4の整数を表す。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
     一般式(2)~(8)において、*は一般式(1)との結合点を表し、
    及びLは、それぞれ独立して直接結合、置換若しくは未置換の炭素数6~18の芳香族炭化水素基、置換若しくは未置換の炭素数3~18の芳香族複素環基、又はこれらの芳香族環が2~3個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表す。
    Ar~Ar12は、それぞれ独立して、Ar~Arで述べたものと同様であるが、Ar~Ar12が連結芳香族基を表す場合、芳香族環が2~3個連結してなる置換若しくは未置換の連結芳香族基を表す。Ar、Arは、互いに結合して環構造を形成してもよい。
    c~fは置換数を表し、c、e、fはそれぞれ独立して0~3の整数を表し、dは0~2の整数を表す。
  2.  前記一般式(1)が、下記一般式(9)~(12)のいずれかで表される請求項1に記載の光電変換素子用材料。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
     一般式(9)~(12)において、
    Ar~Ar、及びa、bは前記一般式(1)で述べた内容と同様である。
  3.  前記一般式(1)が、前記一般式(11)、及び(12)のいずれかで表される請求項2に記載の光電変換素子用材料。
  4.  前記一般式(1)において、Ar~Arのうち少なくとも一つが、前記一般式(2)、(3)、(5)、(7)、及び(8)のいずれかで表される請求項1に記載の光電変換素子用材料。
  5.  前記一般式(1)において、Arが、前記一般式(2)、(3)、(5)、(7)、及び(8)のいずれかで表される請求項1に記載の光電変換素子用材料。
  6.  Lが単結合である請求項1に記載の撮像用の光電変換素子用材料。
  7.  密度汎関数計算B3LYP/6-31G(d)による構造最適化計算で得られる最高被占分子軌道(HOMO)のエネルギー準位が-4.0eV以下であることを特徴とする請求項1に記載の撮像用の光電変換素子用材料。
  8.  前記構造最適化計算で得られる最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位が-2.5eV以上であることを特徴とする請求項1に記載の撮像用の光電変換素子用材料。
  9.  1×10-6cm/Vs以上の正孔移動度を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像用の光電変換素子用材料。
  10.  非晶質であることを特徴とする請求項1に記載の撮像用の光電変換素子用材料。
  11.  撮像用の光電変換素子の正孔輸送性材料として使用されることを特徴とする請求項1に記載の撮像用の光電変換素子用材料。
  12.  2枚の電極の間に光電変換層と電子ブロック層を有する撮像用の光電変換素子において、光電変換層、及び電子ブロック層の少なくとも一つの層に請求項1~11のいずれかに記載の撮像用の光電変換素子用材料を含むことを特徴とする撮像用の光電変換素子。
  13.  前記電子ブロック層に、請求項1に記載の撮像用の光電変換素子用材料を含むことを特徴とする請求項12記載の撮像用の光電変換素子。
  14.  前記光電変換層に電子輸送性材料を含むことを特徴とする請求項12記載の撮像用の光電変換素子。
  15.  前記電子ブロック層に請求項1に記載の光電変換素子用材料を含み、前記光電変換層にフラーレン誘導体を含むことを特徴とする請求項12に記載の撮像用の光電変換素子。 
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CN108218853A (zh) * 2016-12-15 2018-06-29 江苏三月光电科技有限公司 一种以二苯并含氮六元杂环为核心的化合物及其在有机电致发光器件上的应用

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