JP2018127425A - New squarylium derivative and organic thin film solar cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規なスクアリリウム誘導体、及びそれを用いた有機薄膜太陽電池素子に関する。 The present invention relates to a novel squarylium derivative and an organic thin film solar cell element using the same.
近年、有機薄膜太陽電池は、軽量で自由に曲げられるという特徴をもち、製造コスト面でも有利であることから、シリコン系無機太陽電池に代わって、実用化・市場投入段階に入りつつある。有機薄膜太陽電池には蒸着型及び塗布型があるが、特に塗布型の有機薄膜太陽電池は、蒸着型の有機薄膜太陽電池に比べて製造コストが安く、大量生産に向いている。しかしながら、有機薄膜太陽電池は、その光電エネルギー変換効率が10%程度であり、シリコン系無機太陽電池と比較して、効率や信頼性の点で未だ改善の余地があり、盛んに研究開発が行われている。 In recent years, organic thin film solar cells are lightweight and can be bent freely, and are advantageous in terms of manufacturing cost. Therefore, instead of silicon-based inorganic solar cells, they are entering the stage of commercialization and market introduction. Organic thin film solar cells include a vapor deposition type and a coating type. Particularly, a coating type organic thin film solar cell has a lower manufacturing cost and is suitable for mass production than a vapor deposition type organic thin film solar cell. However, organic thin-film solar cells have a photoelectric energy conversion efficiency of about 10%, and there is still room for improvement in terms of efficiency and reliability compared to silicon-based inorganic solar cells. It has been broken.
太陽光は、そのエネルギーの50%以上を、650nmより長波長の近赤外・赤外領域に持つ。そのため、光電変換効率の飛躍的な向上には、この波長領域を効率良く吸収し、電気エネルギーとして取り出すことが必須である。有機薄膜太陽電池素子はドナー材料とアクセプター材料を用いて作製される。一般にアクセプター材料で用いられているフラーレン誘導体は逆電子移動が遅く、対称性が高いという利点があるが、これらは近赤外領域付近に強い吸収を持たないため、有機薄膜太陽電池の高効率化には、長波長領域の吸収を持つドナー材料の開発が非常に重要となる。また、有機薄膜太陽電池の高効率化には、ドナー材料と、アクセプター材料とのエネルギー準位の関係が重要である。ドナー材料で太陽光を吸収して発生した励起子(エキシトン)からアクセプター材料に電荷移動させるには、一般にドナー材料の最低非占有分子軌道(lowest unoccupied molecular orbital:LUMO)準位がアクセプター材料のLUMO準位よりも0.3eV以上浅いことが好ましいとされている。塗布型有機薄膜太陽電池では、アクセプター材料として、通常溶解性が高いフェニルC71酪酸メチル(PC70BM)が使用される。PC70BMのLUMO準位は4.0eVであるから、ドナー材料には3.7eV程度のLUMO準位が求められる。 Sunlight has 50% or more of its energy in the near infrared / infrared region having a wavelength longer than 650 nm. Therefore, to dramatically improve the photoelectric conversion efficiency, it is essential to efficiently absorb this wavelength region and take it out as electric energy. The organic thin film solar cell element is manufactured using a donor material and an acceptor material. In general, fullerene derivatives used in acceptor materials have the advantage of slow reverse electron transfer and high symmetry, but they do not have strong absorption near the near infrared region, so the efficiency of organic thin-film solar cells is improved. For this purpose, it is very important to develop a donor material having absorption in the long wavelength region. In addition, the relationship between the energy levels of the donor material and the acceptor material is important for increasing the efficiency of the organic thin film solar cell. In general, the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level of the donor material is the LUMO of the acceptor material in order to transfer charge from the exciton (exciton) generated by absorbing sunlight in the donor material to the acceptor material. It is preferable that the depth is shallower by 0.3 eV or more than the level. In a coating type organic thin film solar cell, phenyl C71 methyl butyrate (PC 70 BM) having high solubility is usually used as an acceptor material. Since the LUMO level of PC 70 BM is 4.0 eV, a LUMO level of about 3.7 eV is required for the donor material.
塗布型有機薄膜太陽電池に使用されるドナー材料は、当然ながら、溶媒によく溶ける必要がある。ドナー材料は大きく分けて高分子型と低分子型の2つが知られている。高分子型材料は変換効率が8%程度まで効率が向上しているが、高分子型材料は、精製が難しく、高純度化が困難で、製造ロット間の特性変化が大きく品質を保つことが難しい。一方、低分子型材料は、分子量分布を持たず、精製が容易で信頼性が高い、又は、製造ロット間の品質が変わらず、ロットによりエネルギー変換効率に影響を与えない等の特徴を持つ。しかしながら、低分子型材料は、現時点で移動度も10-4cm2/Vs程度と低く、エネルギー変換効率も8%以下に留まっている。また、低分子型材料のうち、高効率を達成している材料は、一般に溶解性が低く、塗布型有機薄膜太陽電池を作製する際に、オルトジクロロベンゼン(ODCB)、クロロホルム等、ハロゲン系の溶媒を使用しなければならず、環境面で問題がある。そのため、塗布型有機薄膜太陽電池の高性能化と実用性向上には、近赤外光の吸収能と高い移動度を持ち、非ハロゲン系の溶媒等にも高い溶解性を示す新しい低分子材料の開発が求められている。 Needless to say, the donor material used in the coating type organic thin film solar cell needs to be well dissolved in a solvent. Donor materials are roughly classified into two types, a high molecular type and a low molecular type. The conversion efficiency of polymer materials has improved to about 8%. However, polymer materials are difficult to purify and highly purified, and the quality changes greatly between production lots. difficult. On the other hand, the low molecular weight material has characteristics such as no molecular weight distribution, easy purification and high reliability, or quality between production lots does not change, and energy conversion efficiency is not affected by lots. However, the low molecular weight material has a low mobility of about 10 −4 cm 2 / Vs at the present time, and the energy conversion efficiency remains at 8% or less. Further, among the low molecular weight materials, materials that have achieved high efficiency are generally low in solubility, and halogen-based materials such as orthodichlorobenzene (ODCB), chloroform, etc. are used in the production of coated organic thin film solar cells. Solvents must be used and are environmentally problematic. Therefore, a new low molecular weight material that has high absorption capability and high mobility for near-infrared light, and high solubility in non-halogen solvents, etc., to improve the performance and practicality of coated organic thin-film solar cells. Development is required.
スクアリリウム誘導体は、非ハロゲン系溶媒に対しても高い溶解性を示し、近赤外領域に強い吸収を持ち、かつ、逆電子移動が遅く、高い対称性を持つ構造であることから、ドナー材料として研究開発が行われており、すでに多数報告されている(非特許文献1〜3)。
As a donor material, squarylium derivatives are highly soluble in non-halogen solvents, have strong absorption in the near infrared region, have slow reverse electron transfer, and high symmetry. Research and development has been conducted, and many reports have already been reported (Non-Patent
スクアリリウム誘導体は、脱水縮合反応により高収率で比較的容易に合成できて環境に優しく、種々の置換基の導入も可能である。スクアリリウム誘導体のうち、SQ−1、YSQ−8、SQ−BPは、塗布成膜によるBHJ(bulk heterojunction)型の素子において、それぞれPCE(power conversion efficiency)が4.0%、3.8%、4.8%を達成している。これらの誘導体のエネルギー変換効率は、以前のものに比べると向上しているが、まだ低い値に留まっている。また、これらのスクアリリウム誘導体を用いた有機薄膜太陽電池は、そのVOC(開放電圧)、JSC(短絡電流密度)の値が他の材料に比べて高いものの、FF(曲線因子)が低いという問題があった。 The squarylium derivative can be synthesized relatively easily in a high yield by a dehydration condensation reaction, is environmentally friendly, and can introduce various substituents. Among the squarylium derivatives, SQ-1, YSQ-8, and SQ-BP are BHJ (bulk heterojunction) type devices formed by coating, and have a PCE (power conversion efficiency) of 4.0%, 3.8%, 4.8% has been achieved. The energy conversion efficiencies of these derivatives are improved compared to previous ones, but are still low. In addition, organic thin-film solar cells using these squarylium derivatives have lower VFF (open circuit voltage) and JSC (short circuit current density) values than other materials, but low FF (curve factor). There was a problem.
そこで、本発明では、高効率な素子を提供するために有用な新規スクアリリウム誘導体を提供すべく、SQ−BPに着目し、その末端置換基を改良して、エネルギー準位を変化させずに、薄膜状態での移動度を向上させ、さらにFFを改善してエネルギー変換効率を向上させることを課題としている。また、得られたスクアリリウム誘導体からなるドナー材料及びそれを用いた有機薄膜太陽電池を提供することを課題としている。 Therefore, in the present invention, in order to provide a novel squarylium derivative useful for providing a highly efficient device, focusing on SQ-BP, improving the terminal substituent, without changing the energy level, It is an object to improve mobility in a thin film state and further improve FF to improve energy conversion efficiency. Another object of the present invention is to provide a donor material comprising the obtained squarylium derivative and an organic thin film solar cell using the donor material.
本発明は以下の事項からなる。
本発明のスクアリリウム誘導体は、下記一般式(1)で表される。
The squarylium derivative of the present invention is represented by the following general formula (1).
一般式(1)中、R1及びR2は、それぞれ独立に、炭素原子数4以上の分岐状の脂肪族置換基を表し、R3〜R6は、それぞれ独立に、水素原子、脂肪族置換基又は芳香族置換基を表し、R3及びR4、又は、R5及びR6はそれぞれ互いに連結して環を形成してもよく、X1およびX2は、それぞれ独立に、−S−又は−O−を表す。
前記一般式(1)中、R3〜R6は水素原子を表すことが好ましい。
本発明の有機薄膜太陽電池は、上記スクアリリウム誘導体を用いたものである。
In general formula (1), R 1 and R 2 each independently represents a branched aliphatic substituent having 4 or more carbon atoms, and R 3 to R 6 each independently represent a hydrogen atom or an aliphatic group. Represents a substituent or an aromatic substituent, and R 3 and R 4 , or R 5 and R 6 may be linked to each other to form a ring, and X 1 and X 2 are each independently —S -Or -O- is represented.
In the general formula (1), R 3 to R 6 preferably represent a hydrogen atom.
The organic thin film solar cell of the present invention uses the above-mentioned squarylium derivative.
本発明のスクアリリウム誘導体は、多環芳香族アミノ基を導入することにより、深い最高占有分子軌道(highest occupied molecular orbital;HOMO)を有し、長波長の光を吸収することができる。さらに、550〜700nmの領域で強い吸収を示す。よって、上記スクアリリウム誘導体を用いることで、有機薄膜太陽電池の高効率化が期待できる。
また、上記スクアリリウム誘導体は、非ハロゲン系溶媒に可溶であることから、環境面での問題解決や、デバイス性能の向上が期待できる。
By introducing a polycyclic aromatic amino group, the squarylium derivative of the present invention has a deepest occupied molecular orbital (HOMO) and can absorb light having a long wavelength. Furthermore, strong absorption is shown in the region of 550 to 700 nm. Therefore, the use of the squarylium derivative can be expected to increase the efficiency of the organic thin film solar cell.
Further, since the squarylium derivative is soluble in a non-halogen solvent, it can be expected to solve environmental problems and improve device performance.
以下、本発明について、詳細に説明する。
[スクアリリウム誘導体]
本発明のスクアリリウム誘導体は、下記一般式(1)で表される。
[Squarylium derivatives]
The squarylium derivative of the present invention is represented by the following general formula (1).
一般式(1)中、R1及びR2は、それぞれ独立に、炭素原子数4以上の分岐状の脂肪族置換基を表し、R3〜R6は、それぞれ独立に、水素原子、脂肪族置換基又は芳香族置換基を表し、R3及びR4、又は、R5及びR6はそれぞれ互いに連結して環を形成してもよく、X1およびX2は、それぞれ独立に、−S−又は−O−を表す。
炭素原子数4以上の分岐状の脂肪族置換基としては、例えば、t−ブチル基、s−ブチル基、イソブチル基、t−アミル基、s−アミル基、イソアミル基、1−メチルブチル基、3−メチルブチル基、1,1−ジメチルプロピル基、2−エチルヘキシル基、2−エチルオクチル基等がある。これらのうち、2−エチルヘキシル基、イソブチル基及び2−エチルオクチル基等がより好ましく、2−エチルヘキシル基が特に好ましい。
R3〜R6は、それぞれ独立に、水素原子、脂肪族置換基又は芳香族置換基を表す。
In general formula (1), R 1 and R 2 each independently represents a branched aliphatic substituent having 4 or more carbon atoms, and R 3 to R 6 each independently represent a hydrogen atom or an aliphatic group. Represents a substituent or an aromatic substituent, and R 3 and R 4 , or R 5 and R 6 may be linked to each other to form a ring, and X 1 and X 2 are each independently —S -Or -O- is represented.
Examples of the branched aliphatic substituent having 4 or more carbon atoms include, for example, t-butyl group, s-butyl group, isobutyl group, t-amyl group, s-amyl group, isoamyl group, 1-methylbutyl group, 3 -Methylbutyl group, 1,1-dimethylpropyl group, 2-ethylhexyl group, 2-ethyloctyl group and the like. Of these, 2-ethylhexyl group, isobutyl group, 2-ethyloctyl group and the like are more preferable, and 2-ethylhexyl group is particularly preferable.
R 3 to R 6 each independently represent a hydrogen atom, an aliphatic substituent or an aromatic substituent.
R3〜R6の脂肪族置換基は、広く芳香族置換基以外の基であり、鎖状(非環式)でも環式でもよい。また、前記脂肪族置換基は、本発明の効果を損なわない範囲内で、その水素原子の一部が、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、又は、窒素原子、硫黄原子、酸素原子、リン原子、ケイ素原子若しくはこれらの原子を含む置換基で置換されていてもよい。前記脂肪族置換基は、具体的には、炭素原子数1〜20のアルキル基、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基及びシクロペンチル基、シクロヘキシル基等が好ましく、溶解性の点で、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基及びシクロペンチル基、シクロヘキシル基等がより好ましい。 The aliphatic substituents of R 3 to R 6 are widely groups other than aromatic substituents, and may be chain (acyclic) or cyclic. Further, the aliphatic substituent has a hydrogen atom part of an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, or a nitrogen atom, a sulfur atom, an oxygen within a range not impairing the effects of the present invention. It may be substituted with an atom, phosphorus atom, silicon atom or a substituent containing these atoms. The aliphatic substituent is specifically an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, specifically a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a cyclopentyl group, or a cyclohexyl group. In view of solubility, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, and the like are more preferable.
R3〜R6の芳香族置換基は、単環でも多環(縮合環)でもよく、単素環式でも複素環式でもよく、例えば、フェニル基、チエニル基、フリル基、ピロリル基、ピリジル基、キノリル基、キノキサリル基、イミダゾピリジル基、及びベンゾチアゾール基等が挙げられる。これらのうち、フェニル基、及びピリジル基等が好ましい。また、前記芳香族置換基を構成する水素原子の一部は、例えば、メチル基、イソプロピル基及びイソブチル基等で置換されていてもよい。
R3及びR4、又は、R5及びR6は、それぞれ互いに連結して、5〜7員環を形成してもよく、具体的には6員環を形成してもよい。
The aromatic substituents of R 3 to R 6 may be monocyclic or polycyclic (fused ring), and may be monocyclic or heterocyclic. For example, phenyl group, thienyl group, furyl group, pyrrolyl group, pyridyl Group, quinolyl group, quinoxalyl group, imidazopyridyl group, benzothiazole group and the like. Of these, a phenyl group, a pyridyl group, and the like are preferable. Moreover, a part of hydrogen atoms constituting the aromatic substituent may be substituted with, for example, a methyl group, an isopropyl group, an isobutyl group, or the like.
R 3 and R 4 , or R 5 and R 6 may be connected to each other to form a 5- to 7-membered ring, specifically a 6-membered ring.
具体的には、上記一般式(1)で表される化合物は、以下の構造式で表される化合物SQ−EDT、SQ−EDF、SQ−EBT又はSQ−EBFであることが好ましい。
上記一般式(1)で表されるスクアリリウム誘導体は、その末端の置換基に縮合環を有することにより、深いHOMO及び近赤外領域における広い吸収を持つことができ、他方に分岐した脂肪族炭化水素基を有することにより、有機溶媒への溶解性が向上し、例えば、スクアリリウム誘導体の末端の置換基がいずれも芳香族基である場合や、末端置換基の一方が芳香族基であり、他方が直鎖状の脂肪族基である場合と比較して、近赤外領域におけるモル吸光係数と有機溶媒への溶解性が向上する。
したがって、上記スクアリリウム誘導体は、PC71BM等のフラーレン又はその誘導体からなるアクセプター材料に対するドナー材料として好適に用いることができる。
The squarylium derivative represented by the general formula (1) can have deep HOMO and broad absorption in the near infrared region by having a condensed ring at the terminal substituent, and branched aliphatic carbonization on the other side. By having a hydrogen group, the solubility in an organic solvent is improved. For example, when the terminal substituents of the squarylium derivative are all aromatic groups, one of the terminal substituents is an aromatic group, and the other Compared with the case where is a linear aliphatic group, the molar extinction coefficient in the near infrared region and the solubility in an organic solvent are improved.
Therefore, the squarylium derivative can be suitably used as a donor material for an acceptor material made of fullerene such as PC 71 BM or a derivative thereof.
[スクアリリウム誘導体の製造方法]
本発明のスクアリリウム誘導体は、例えば、以下に示す方法により製造することができる。SQ−EDTの製造方法を一例に示す。
[Method for producing squarylium derivative]
The squarylium derivative of the present invention can be produced, for example, by the method shown below. A method for producing SQ-EDT is shown as an example.
2−エチルヘキサン−1−アミン及び4−ブロモジベンゾチオフェンをCuI/L−プロリン触媒及び炭酸カリウムの存在下に、DMSO中で攪拌して、黄色の粘体であるアミン誘導体を得る(ステップ1)。次いで、前記アミン誘導体及び1−ブロモ−3,5−ジメトキシベンゼンを、Pd(0)触媒、ホスフィン配位子、及びナトリウムt−ブトキシド塩基の存在下に、トルエン中で加熱攪拌してジメトキシベンゼン誘導体を得る(ステップ3)。さらに、前記ジメトキシベンゼン誘導体を三臭化ホウ素で脱メチル化し(ステップ3)、得られたジヒドロキシベンゼン誘導体とスクアリン酸とをトルエン及びブタノール混合溶液中で反応させることにより、SQ−EDTを得る。
ただし、上記一般式(1)で表されるスクアリリウム誘導体は、上記した方法に限られず、種々の公知の方法で製造することができる。
2-Ethylhexane-1-amine and 4-bromodibenzothiophene are stirred in DMSO in the presence of CuI / L-proline catalyst and potassium carbonate to give an amine derivative that is a yellow viscous (step 1). Next, the amine derivative and 1-bromo-3,5-dimethoxybenzene are heated and stirred in toluene in the presence of a Pd (0) catalyst, a phosphine ligand, and sodium t-butoxide base, and the dimethoxybenzene derivative is then obtained. (Step 3). Further, the dimethoxybenzene derivative is demethylated with boron tribromide (step 3), and the obtained dihydroxybenzene derivative and squaric acid are reacted in a mixed solution of toluene and butanol to obtain SQ-EDT.
However, the squarylium derivative represented by the general formula (1) is not limited to the above-described method, and can be produced by various known methods.
[有機薄膜太陽電池及びその製造方法]
本発明の有機薄膜太陽電池素子(以下「太陽電池素子」という。)は、一対の電極(陽極2、陰極6)間に少なくとも一層の有機発電層が積層された素子構造を有し、典型的には、図1に示すように、基板1、陽極2、正孔輸送層3、活性層4、電子輸送層5及び陰極6が順次積層された素子構造を有する。
以下、本発明の太陽電池素子の構成を説明する。
[Organic thin film solar cell and manufacturing method thereof]
The organic thin film solar cell element of the present invention (hereinafter referred to as “solar cell element”) has an element structure in which at least one organic power generation layer is laminated between a pair of electrodes (
Hereinafter, the configuration of the solar cell element of the present invention will be described.
<太陽電池素子の構成>
本発明の太陽電池素子の構成は、図1の例に限定されず、陽極と陰極との間に順次、1)陽極バッファ層(図示せず)/正孔輸送層/活性層、2)陽極バッファ層(図示せず)/活性層/電子輸送層、3)陽極バッファ層(図示せず)/正孔輸送層/活性層/電子輸送層、4)陽極バッファ層(図示せず)/正孔輸送性化合物、活性化合物および電子輸送性化合物を含む層、5)陽極バッファ層(図示せず)/正孔輸送性化合物及び活性化合物を含む層、6)陽極バッファ層(図示せず)/活性化合物及び電子輸送性化合物を含む層、7)陽極バッファ層(図示せず)/正孔電子輸送性化合物および活性化合物を含む層、8)陽極バッファ層(図示せず)/活性層/正孔ブロック層(図示せず)/電子輸送層を設けた構成等が挙げられる。また、図1に示した活性層は一層であるが、二層以上であってもよい。
<Configuration of solar cell element>
The configuration of the solar cell element of the present invention is not limited to the example shown in FIG. 1, and 1) an anode buffer layer (not shown) / hole transport layer / active layer, and 2) an anode sequentially between the anode and the cathode. Buffer layer (not shown) / active layer / electron transport layer, 3) anode buffer layer (not shown) / hole transport layer / active layer / electron transport layer, 4) anode buffer layer (not shown) / positive Layer containing hole transporting compound, active compound and electron transporting compound, 5) Anode buffer layer (not shown) / Layer containing hole transporting compound and active compound, 6) Anode buffer layer (not shown) / Layer containing active compound and electron transporting compound, 7) Anode buffer layer (not shown) / layer containing hole electron transporting compound and active compound, 8) Anode buffer layer (not shown) / active layer / positive The structure etc. which provided the hole block layer (not shown) / electron carrying layer are mentioned. Further, the active layer shown in FIG. 1 is a single layer, but may be two or more layers.
<陽極>
前記陽極2には、−5〜80℃の温度範囲で、面抵抗が、通常1000Ω(オーム)以下、好ましくは100Ω以下の材料が用いられる。
太陽電池素子の陽極2側から光を取り出す場合(ボトムエミッション)には、陽極2は可視光線に対して透明(380〜680nmの光に対する平均透過率が50%以上)であることが必要であるため、陽極2の材料には、酸化インジウム錫(ITO)及びインジウム−亜鉛酸化物(IZO)等が用いられる。これらのうち、入手容易性の観点から、ITOが好ましい。
また、素子の陰極6側から光を取り出す場合(トップエミッション)には、陽極2の光透過度は制限されないため、陽極2の材料には、ITO及びIZOの他に、ステンレスや、銅、銀、金、白金、タングステン、チタン、タンタル若しくはニオブの単体、又はこれらの合金が用いられる。
陽極2の厚さは、ボトムエミッションの場合には、高い光透過率を実現するために、通常2〜300nmであり、トップエミッションの場合には、通常2nm〜2mmである。
<Anode>
For the
When light is extracted from the
Further, when light is extracted from the
In the case of bottom emission, the thickness of the
<陽極バッファ層>
陽極バッファ層は、陽極2上に、陽極バッファ層用材料を塗布し、さらに加熱することによって形成される。
この塗布操作においては、スピンコート法、キャスト法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェットプリント法等の公知の塗布法を適用することがきできる。
また、陽極バッファ層用材料には、活性層4形成の際に陽極バッファ層が溶解するのを防ぐ観点から、通常は、有機溶剤に対する耐性の高い材料が用いられる。
陽極バッファ層の厚さは、バッファ層としての効果を充分に発揮させ、また、太陽電池素子の駆動電圧の上昇を防ぐ観点から、通常5〜50nm、好ましくは10〜30nmである。
<Anode buffer layer>
The anode buffer layer is formed by applying an anode buffer layer material on the
In this coating operation, spin coating method, casting method, micro gravure coating method, gravure coating method, bar coating method, roll coating method, dip coating method, spray coating method, screen printing method, flexographic printing method, offset printing method, A known coating method such as an inkjet printing method can be applied.
Moreover, from the viewpoint of preventing the anode buffer layer from being dissolved when the
The thickness of the anode buffer layer is usually 5 to 50 nm, preferably 10 to 30 nm, from the viewpoint of sufficiently exhibiting the effect as the buffer layer and preventing an increase in the driving voltage of the solar cell element.
<活性層、正孔輸送層、電子輸送層>
太陽電池素子における有機発電層は、正孔輸送層3、活性層4及び電子輸送層5で構成される。
前記活性層4には、上記一般式(1)で表されるスクアリリウム誘導体が用いられる。前記スクアリリウム誘導体は、通常アクセプター材料を混合して用いられる。前記スクアリリウム誘導体をドナー材料とし、アクセプター材料とともに、活性層4を形成することにより、高効率の有機薄膜太陽電池を提供することができる。
前記アクセプター材料には、公知の材料が適宜選択して用いられるが、電子輸送性があり、HOMOのエネルギー準位が深い化合物が好ましく、具体的には、フラーレン(C60、C70等)又はその誘導体(PC71BM等)体が好適に用いられる。
<Active layer, hole transport layer, electron transport layer>
The organic power generation layer in the solar cell element includes a
For the
As the acceptor material, a known material is appropriately selected and used, but a compound having an electron transporting property and a deep HOMO energy level is preferable. Specifically, fullerene (C60, C70, etc.) or a derivative thereof. (PC 71 BM etc.) is preferably used.
前記活性層4は、活性層4のキャリア輸送性を補う目的で、図1に示すように、正孔輸送層3と電子輸送層5との間に挿入してもよいし、活性層4中に、前記アクセプター材料とともに、正孔輸送性化合物や電子輸送性化合物を分散させて用いてもよい。
正孔輸送性化合物としては、例えば、酸化モリブデン(VI)(MoO3)、酸化バナジウム(V2O5)、酸化タングステン(WO3)、酸化ルテニウム(RuO2)等の金属酸化物、ヘキサアザトリフェニレンヘキサカルボニル(HATCN)、2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノ−キノジメタン(F4TCNQ)等の低分子材料や、該低分子材料に重合性官能基を導入して高分子化したもの等が挙げられる。
電子輸送性化合物としては、例えば、BCP(2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン)等のフェナントロリン誘導体、B4PyMPM(ビス−3,6−(3,5−ジ−4−ピリジルフェニル)−2−メチルピリミジン) 等のオリゴピリジン誘導体及び[60]フラーレン、[70]フラーレン等のナノカーボン誘導体等の低分子材料や、該低分子材料に重合性官能基を導入して高分子化したもの等が挙げられる。
The
Examples of the hole transporting compound include molybdenum oxide (VI) (MoO 3 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), tungsten oxide (WO 3 ), ruthenium oxide (RuO 2 ), and other metal oxides, hexaaza Low molecular materials such as triphenylenehexacarbonyl (HATCN), 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyano-quinodimethane (F4TCNQ), and polymerizable functional groups introduced into the low molecular materials And polymerized.
Examples of the electron transporting compound include phenanthroline derivatives such as BCP (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), B4PyMPM (bis-3,6- (3,5-di-4), and the like. Low molecular materials such as oligopyridine derivatives such as -pyridylphenyl) -2-methylpyrimidine) and nanocarbon derivatives such as [60] fullerene and [70] fullerene, and polymerizable functional groups are introduced into the low molecular material. Polymerized ones can be mentioned.
<正孔ブロック層>
正孔が活性層を通過するのを抑え、活性層4内で電子と効率よく再結合させる目的で、活性層4の陰極6側に隣接して正孔ブロック層を設けてもよい。この正孔ブロック層には、活性化合物よりHOMO準位の深い化合物が用いられ、例えば、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、アルミニウム錯体等が用いられる。
さらに、励起子(エキシトン)が陰極金属で失活することを防ぐ目的で、活性層4の陰極6側に隣接してエキシトンブロック層を設けてもよい。このエキシトンブロック層には、活性化合物よりも、三重項励起エネルギーの大きな化合物が用いられ、該化合物としては、トリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、アルミニウム錯体等が用いられる。
<Hole blocking layer>
A hole blocking layer may be provided adjacent to the
Further, an exciton block layer may be provided adjacent to the
<陰極>
陰極材料としては、仕事関数が低く(4eV以下)、かつ、化学的に安定なものが使用される。具体的には、Al、MgAg合金、AlLiやAlCa等のAlとアルカリ金属との合金等の既知の陰極材料が挙げられる。これらの陰極材料の成膜方法としては、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等が用いられる。陰極6の厚さは、通常10nm〜1μmであり、好ましくは50〜500nmである。
<Cathode>
As the cathode material, a material having a low work function (4 eV or less) and chemically stable is used. Specific examples include known cathode materials such as Al, MgAg alloys, alloys of Al and alkali metals such as AlLi and AlCa. As a film forming method for these cathode materials, a resistance heating vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, or the like is used. The thickness of the
また、陰極6から有機発電層への電子注入障壁を下げて電子の注入効率を上げる目的で、陰極6より仕事関数の低い金属層を、陰極バッファ層として、陰極6と該陰極6に隣接する層の間に挿入してもよい。このような目的に使用できる低仕事関数の金属としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属等が挙げられる。また、陰極より仕事関数の低いものであれば、合金又は金属化合物も使用することができる。これらの陰極バッファ層の成膜方法としては、蒸着法やスパッタ法等を用いることができる。陰極バッファ層の厚さは、通常0.05〜50nmであり、好ましくは0.1〜20nmである。
For the purpose of lowering the electron injection barrier from the
さらに、陰極バッファ層は、上記の低仕事関数の金属等と電子輸送性化合物との混合物として形成させることもできる。この場合の成膜方法としては共蒸着法を用いることができる。また、溶液による塗布成膜が可能な場合は、スピンコート法、スプレーコート法、ディップコート法、印刷法(インクジェットプリント法、ディスペンサー塗布法)等の成膜方法を用いることができる。この場合の陰極バッファ層の厚さは、通常は0.1〜100nmであり、好ましくは0.5〜50nmである。陰極と有機物層との間に、導電性高分子からなる層、或いは、金属酸化物や金属フッ化物、有機絶縁材料等からなる平均膜厚2nm以下の層を設けてもよい。 Further, the cathode buffer layer can be formed as a mixture of the above-described low work function metal or the like and an electron transporting compound. In this case, a co-evaporation method can be used as a film forming method. In addition, in the case where coating film formation using a solution is possible, film formation methods such as a spin coating method, a spray coating method, a dip coating method, and a printing method (inkjet printing method, dispenser coating method) can be used. In this case, the thickness of the cathode buffer layer is usually 0.1 to 100 nm, preferably 0.5 to 50 nm. A layer made of a conductive polymer or a layer made of a metal oxide, a metal fluoride, an organic insulating material, or the like with an average film thickness of 2 nm or less may be provided between the cathode and the organic material layer.
<基板>
前記素子を構成する基板1には、太陽電池素子に要求される機械的強度を満たす材料が用いられる。
ボトムエミッション型の太陽電池素子には、可視光線に対して透明な基板1が用いられ、例えば、ソーダガラス、無アルカリガラス等のガラス;アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂等の透明プラスチック;シリコンからなる基板1等が使用できる。
トップエミッション型の太陽電池素子には、ボトムエミッション型の太陽電池素子に用いられる基板1に加えて、ステンレスや、銅、銀、金、白金、タングステン、チタン、タンタル若しくはニオブの単体又はこれらの合金からなる基板1等が使用できる。
基板1の厚さは、要求される機械的強度にもよるが、通常0.1〜10mm、好ましくは0.25〜2mmである。
なお、各層の膜厚は、概ね5nm〜5μmの範囲内である。
<Board>
A material that satisfies the mechanical strength required for the solar cell element is used for the
For the bottom emission type solar cell element, a
The top emission type solar cell element includes, in addition to the
Although the thickness of the board |
In addition, the film thickness of each layer is in the range of approximately 5 nm to 5 μm.
(太陽電池素子の形成方法)
上記の有機発電層は、例えば、蒸着法(抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法等)、スパッタリング法等のドライプロセス、又は塗布法(スピンコート法、キャスティング法、ダイコート法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェットプリント法等)等のウェットプロセスにより形成することができる。これらの方法のうち、スピンコート法、ダイコート法、スプレーコート法が好ましく用いられる。
(Method for forming solar cell element)
The organic power generation layer is, for example, a vapor deposition method (resistance heating vapor deposition method, electron beam vapor deposition method, etc.), a dry process such as a sputtering method, or a coating method (spin coating method, casting method, die coating method, micro gravure coating method, Gravure coating method, bar coating method, roll coating method, wire bar coating method, dip coating method, spray coating method, screen printing method, flexographic printing method, offset printing method, inkjet printing method, etc.) Can do. Of these methods, spin coating, die coating, and spray coating are preferably used.
なお、太陽電池素子を長期間、安定的に用いるために、その周囲に保護層及び/又は保護カバーを装着することが好ましい。前記保護層には、高分子化合物、金属酸化物、金属フッ化物、金属ホウ化物等が用いられる。前記保護カバーには、ガラス板、表面に低透水化処理を施したプラスチック板、金属等が用いられ、該カバーを熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂で素子基板と貼り合わせて密閉する方法が好適に用いられる。さらに、前記空間に窒素やアルゴンのような不活性ガスを封入すれば、陰極の酸化を防止することができ、酸化バリウム等の乾燥剤を空間内に入れれば、製造工程で吸着した水分が太陽電池素子にタメージを与えるのを抑制できる。 In addition, in order to use a solar cell element stably for a long period of time, it is preferable to attach a protective layer and / or a protective cover around it. For the protective layer, a polymer compound, metal oxide, metal fluoride, metal boride and the like are used. The protective cover is made of a glass plate, a plastic plate with a low water permeability treatment on the surface, a metal, or the like, and the cover is bonded to the element substrate with a thermosetting resin or a photocurable resin and sealed. Preferably used. Furthermore, if an inert gas such as nitrogen or argon is sealed in the space, oxidation of the cathode can be prevented, and if a desiccant such as barium oxide is placed in the space, moisture adsorbed in the manufacturing process is absorbed by the sun. The battery element can be prevented from being damaged.
[用途]
本発明の有機薄膜太陽電池は、マトリックス方式またはセグメント方式による画素として画像表示装置に好適に用いられる。また、上記有機薄膜太陽電池は、画素を形成せずに、面発光光源としても好適に用いられる。
本発明の有機薄膜太陽電池は、具体的には、コンピュータ、テレビ、携帯端末、携帯電話、カーナビゲーション、標識、看板、ビデオカメラのビューファインダー等における表示装置、バックライト、電子写真、照明、レジスト露光、読み取り装置、インテリア照明、光通信システム等における光照射装置に好適に用いられる。
[Usage]
The organic thin film solar cell of the present invention is suitably used for an image display device as a pixel by a matrix method or a segment method. Moreover, the said organic thin film solar cell is used suitably also as a surface emitting light source, without forming a pixel.
Specifically, the organic thin film solar cell of the present invention includes a display device, backlight, electrophotography, illumination, resist, etc. for computers, televisions, portable terminals, cellular phones, car navigation systems, signs, signboards, video camera viewfinders, etc. It is suitably used for a light irradiation device in exposure, reading device, interior lighting, optical communication system and the like.
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not restrict | limited by the following Example.
[実施例1]SQ−EDTの合成
(i)ステップ1
50 mLの3つ口フラスコに2-エチルヘキサン-1-アミン16.3 mL(100mmol)、4-ブロモジベンゾチオフェン5.26mg(20mmol)、K2CO31.11g(8mmol)、L-プロリン0.691g(6mmol)を入れ、ジメチルスルホキシド(DMSO) 5 mLを加え、N2バブリング60分行い、ゼリー状になった混合物をオイルバスで40℃に加温し、DMSOをさらに5 mL加えた。N2バブリングをさらに60分行った後、CuI 0.761g(4mmol)を加えた。その後、オイルバスを120℃に加熱し、86時間撹拌した。その間での溶液の色の変化は青色→紫色→あずき色→紺色であった。加熱撹拌を止め、反応混合物中に酢酸エチル100 mLを添加し、分液ロートで飽和食塩水100 mLずつ11回分液した後、有機層を硫酸マグネシウムで脱水し、ろ過した。エバポレーターにて溶媒を減圧除去し、粘体(13.6g)を得た。さらにその粘体に原点抜きのカラムクロマトグラフィーを行い、黄褐色の粘体5.4gを得た。その後、シリカゲル350 mLを用い、展開溶媒をヘキサンにして、カラムクロマトグラフィーによる精製を行い、3.8gの黄色の粘体を得た。収量3.8g(収率61%)
(I)
2-ethylhexane-1-amine 16.3 mL (100 mmol), 4-bromodibenzothiophene 5.26 mg (20 mmol), K 2 CO 3 1.11 g (8 mmol), L-proline 0.691 g (6 mmol) ), 5 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO) was added, and N 2 bubbling was performed for 60 minutes. The jelly-like mixture was heated to 40 ° C. in an oil bath, and another 5 mL of DMSO was added. After N 2 bubbling for another 60 minutes, 0.761 g (4 mmol) of CuI was added. Thereafter, the oil bath was heated to 120 ° C. and stirred for 86 hours. The change in the color of the solution during that period was blue → purple → maroon → dark blue. The heating and stirring were stopped, 100 mL of ethyl acetate was added to the reaction mixture, and the mixture was separated 11 times with 100 mL of saturated brine with a separatory funnel, and then the organic layer was dehydrated with magnesium sulfate and filtered. The solvent was removed under reduced pressure using an evaporator to obtain a viscous body (13.6 g). Further, column chromatography without the origin was performed on the viscous body to obtain 5.4 g of a yellowish brown viscous body. Then, 350 mL of silica gel was used, the developing solvent was hexane, and purification by column chromatography was performed to obtain 3.8 g of a yellow viscous body. Yield 3.8g (Yield 61%)
(ii)ステップ2
50 mLの3つ口フラスコに、ステップ1で得られた化合物2.6g(8.3mmol)、1-ブロモ-3,5-ジメトキシベンゼン2.2g(10mmol)、脱水トルエン10 mLを入れ、N2バブリングを60分行った。Pd2(dba)3 375mg(0.41mmol)、tBu3PHBF4 240mg(0.83mmol)、tBuONa 1.9g(20mmol)を加え、オイルバスにて100℃で加熱撹拌を行った。反応後、20時間で反応を終了した。
分液ロートに反応混合物を酢酸エチル100 mLで流し入れ、分液は飽和食塩水100 mL 4回を2セット行った後、もう一度水層に酢酸エチルを入れて飽和食塩水100 mLで4回分液した。有機層をまとめて、硫酸マグネシウムで脱水し、エバポレーターで溶媒を減圧除去し、4.6gの粘体を得た。シリカゲル400 mLを用い、展開溶媒にヘキサンを用いて、カラムクロマトグラフィーにより精製し、3.2gの粘体を得た。収量3.2g(収率86%)
(Ii)
In a 50 mL three-necked flask, put 2.6 g (8.3 mmol) of the compound obtained in
The reaction mixture was poured into a separatory funnel with 100 mL of ethyl acetate, and the liquid separation was performed by 2 sets of 100 mL of saturated brine, and then ethyl acetate was again added to the aqueous layer and separated 4 times with 100 mL of saturated brine. . The organic layers were combined, dehydrated with magnesium sulfate, and the solvent was removed under reduced pressure with an evaporator to obtain 4.6 g of a viscous body. Purification by column chromatography using 400 mL of silica gel and hexane as the developing solvent gave 3.2 g of a viscous body. Yield 3.2g (86% yield)
(iii)ステップ3
まず、ステップ2で得られたジメトキシベンゼン誘導体3.2g(7.2mmol)をドライヤーで温めながらポンプアップし、残存する溶媒を減圧除去した。50 mLの4つ口フラスコに、このジメトキシベンゼン誘導体を脱水CH2Cl215 mLで溶かし入れ、N2フローを行いながら氷浴で30分冷やした。氷浴で十分に冷やしているところにBBr3 16 mL(16mmol)を滴下ロートを用いて30分位かけて加えた。滴下終了後に氷浴をやめ、室温42時間撹拌した。
滴下ロートを用いて純水20 mLをゆっくりと加え反応を終了させた。このとき、3分に1滴の速度で10滴滴下した後、30秒に1滴の速度で最初の5 mL程度を滴下した。純水の滴下後、反応液を分液ロートに移し、純水100 mLで1回、飽和食塩水100 mLで2回洗浄分液した。その後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。シリカゲルを用い、塩化メチレン:酢酸エチル=20 : 1を展開溶媒として、カラムクロマトグラフィーにより精製を行った。TLC(塩化メチレン:酢酸エチル=20 : 1)で目的物の単離を確認し(Rf値0.25)、エバポレーターで溶媒を減圧除去した。収量1.5g(収率50%)
(Iii)
First, 3.2 g (7.2 mmol) of the dimethoxybenzene derivative obtained in
Using a dropping funnel, 20 mL of pure water was slowly added to terminate the reaction. At this time, after dropping 10 drops at a rate of 1 drop every 3 minutes, the first 5 mL was dropped at a rate of 1 drop every 30 seconds. After the addition of pure water, the reaction solution was transferred to a separatory funnel and washed and separated once with 100 mL of pure water and twice with 100 mL of saturated saline. Then, it was dried with magnesium sulfate. Purification was performed by column chromatography using silica gel and methylene chloride: ethyl acetate = 20: 1 as a developing solvent. The isolation of the target product was confirmed by TLC (methylene chloride: ethyl acetate = 20: 1) (Rf value 0.25), and the solvent was removed under reduced pressure using an evaporator. Yield 1.5g (Yield 50%)
(iv)ステップ4
ディーンスターク管を取り付けた100 mLの3つ口フラスコに、ステップ3で得られたジヒドロキシベンゼン誘導体2.3g(5.5mmol)、3,4-ジヒドロキシシクロブタ-3-エン-1,2-ジオン285mg(2.5mmol)、ブタノール:トルエン=1:3の混合溶媒60 mLを入れ、オイルバスを130℃まで加熱し、窒素雰囲気下で加熱還流を行った。反応後2.5時間でTLCより原料がほぼなくなったため、反応を終了した。
反応液を20 mL程までディーンスターク管を使い濃縮し、オイルバスをOFFにした。その後、シクロヘキサンを20 mL加え、室温まで十分に冷ましたところ、目的物が析出したので、吸引ろ過をして回収した。
濾過後、ろ物をメタノール50 mLとヘキサン50mLにて分散洗浄し、減圧乾燥した。収量2.3g(収率100%)
マススペクトル、1HNMR(図2)、元素分析にて合成物を同定した。
元素分析:理論値 C,73.25%;H,6.26 %;N,3.05 %、S,6.98 %、O,10.45 %
実測値 C,73.28%;H,6.51 %;3,10.01 %、S,6.99 %
(Iv)
To a 100 mL three-necked flask equipped with a Dean-Stark tube, 2.3 g (5.5 mmol) of the dihydroxybenzene derivative obtained in
The reaction solution was concentrated to about 20 mL using a Dean-Stark tube, and the oil bath was turned off. Thereafter, 20 mL of cyclohexane was added and the mixture was sufficiently cooled to room temperature. As a result, the target product precipitated, and was collected by suction filtration.
After filtration, the filtrate was dispersed and washed with 50 mL of methanol and 50 mL of hexane and dried under reduced pressure. Yield 2.3g (Yield 100%)
The synthesized product was identified by mass spectrum, 1 HNMR (FIG. 2), and elemental analysis.
Elemental analysis: Theoretical value C, 73.25%; H, 6.26%; N, 3.05%, S, 6.98%, O, 10.45%
Found C, 73.28%; H, 6.51%; 3,10.01%, S, 6.99%
[実施例2]SQ−EDFの合成
(i)ステップ1
25 mLの3つ口フラスコに2-エチルヘキサン-1-アミン0.98 mL(6mmol)、4-ブロモジベンゾフラン0.99mg(4mmol)、K2CO3 0.221g(1.6mmol)、L-プロリン0.14g(1.2mmol)を入れ、DMSO 5mLを加えた。このとき固化するのを防ぐため、オイルバスで40℃に加温した。N2バブリングを60分行った後にCuI 0.153g(0.8mmol)を加え、その後、オイルバスを120℃で加熱し撹拌した。その間での溶液の色の変化は青色→紫色→紺色であった。43時間後に加熱攪拌を止め、反応混合物中に酢酸エチル100 mLを添加し、分液ロートで飽和食塩水100 mLずつ6回分液洗浄し、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した。エバポレーターにて溶媒を減圧除去し粘体(1.5g)を得た。
シリカゲルカラムクロマトグラフィーにてヘキサン(Rf=1.7)で精製を行い、エバポレーターにて溶媒を減圧除去したところ、0.7gの目的物を得た。収量0.7g(収率59%)
(I)
In a 25 mL three-necked flask, 0.98 mL (6 mmol) of 2-ethylhexane-1-amine, 0.99 mg (4 mmol) of 4-bromodibenzofuran, 0.221 g (1.6 mmol) of K 2 CO 3 , 0.14 g (1.2 mmol) of L-proline mmol) and 5 mL of DMSO was added. In order to prevent solidification at this time, it heated at 40 degreeC with the oil bath. After N 2 bubbling was performed for 60 minutes, 0.153 g (0.8 mmol) of CuI was added, and then the oil bath was heated at 120 ° C. and stirred. During that time, the color change of the solution was blue → purple → amber. After 43 hours, heating and stirring were stopped, 100 mL of ethyl acetate was added to the reaction mixture, and 100 mL of saturated brine was separated and washed 6 times with a separatory funnel, and the organic layer was dried over magnesium sulfate. The solvent was removed under reduced pressure using an evaporator to obtain a viscous body (1.5 g).
Purification was performed with silica gel column chromatography with hexane (Rf = 1.7), and the solvent was removed under reduced pressure with an evaporator to obtain 0.7 g of the desired product. Yield 0.7g (59% yield)
(ii)ステップ2
25 mLの3つ口フラスコに、ステップ1で得られたアミン誘導体0.7g(2.4mmol)、1-ブロモ-3,5-ジメトキシベンゼン0.61g(2.8mmol)、脱水キシレン5 mLを入れN2バブリングを120分行った。Pd2(dba)3 110mg(0.12mmol)、tBu3PHBF470mg(0.24mmol)、tBuOK 0.66g(5.9mmol)を加え、オイルバスにて130℃で加熱撹拌を行った。反応後49時間のときにTLCより反応が進んだことを確認して反応を止めた。
分液は酢酸エチル100 mLで流し入れ、飽和食塩水100 mLでの洗浄を5回行った。有機層を硫酸マグネシウムで脱水し、エバポレーターにて溶媒を減圧除去して1.9gの粘体を得た。
シリカゲル200 mLを用い、ヘキサン:トルエン=1:1を展開溶媒として、カラムクロマトグラフィーにて精製を行い、エバポレーターにて溶媒を減圧除去し、0.6gの粘体を得た。
(Ii)
Three-neck flask 25 mL, amine derivative 0.7 g (2.4 mmol) obtained in
The liquid separation was poured into 100 mL of ethyl acetate, and washed 5 times with 100 mL of saturated saline. The organic layer was dehydrated with magnesium sulfate, and the solvent was removed under reduced pressure with an evaporator to obtain 1.9 g of a viscous body.
Purification was performed by column chromatography using 200 mL of silica gel and hexane: toluene = 1: 1 as a developing solvent, and the solvent was removed under reduced pressure using an evaporator to obtain 0.6 g of a viscous body.
(iii)ステップ3
50 mLの4つ口フラスコに、ステップ2で得られたジメトキシ誘導体2.9g(6.7mmol)を脱水CH2Cl2 10 mLで溶かし入れ、N2フローを行いながら氷浴で30分冷やした。氷浴で十分に冷やしているところにBBr3 14.6mL(14.6mmol)を滴下ロートでゆっくりと加えた。滴下終了後に氷浴をやめ、室温20時間撹拌した。
純水20 mLを3分に1滴の速度で10滴滴下した後、30秒に1滴の速度で、滴下ロートを用いてゆっくりと加え反応を終了させた。
反応液を分液ロートに移し、純水100 mLで1回、飽和食塩水100 mLで2回洗浄分液した。その後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。シリカゲル300 mLを用い、塩化メチレン:酢酸エチル=20 : 1を展開溶媒として、カラムクロマトグラフィーにて精製を行った。TLC(塩化メチレン:酢酸エチル=20 : 1)で目的物(Rf値0.25)の単離を確認し、エバポレーターで溶媒を減圧除去し、粘体1.6gを得た。収量1.6g(収率59%)
(Iii)
In a 50 mL four-necked flask, 2.9 g (6.7 mmol) of the dimethoxy derivative obtained in
After dropping 10 mL of pure water at a rate of 1 drop every 3 minutes, the reaction was terminated slowly by adding a dropping funnel at a rate of 1 drop every 30 seconds.
The reaction solution was transferred to a separatory funnel and washed and separated once with 100 mL of pure water and twice with 100 mL of saturated saline. Then, it was dried with magnesium sulfate. Purification was performed by column chromatography using 300 mL of silica gel and methylene chloride: ethyl acetate = 20: 1 as a developing solvent. Isolation of the target product (Rf value 0.25) was confirmed with TLC (methylene chloride: ethyl acetate = 20: 1), and the solvent was removed under reduced pressure with an evaporator to obtain 1.6 g of a viscous body. Yield 1.6g (Yield 59%)
(iv)ステップ4
ディーンスターク管を取り付けた100 mLの3つ口フラスコに、ステップ1〜3を繰り返し合成して得られたジヒドロキシベンゼン誘導体2.0g(4.95mmol)、3,4-ジヒドロキシシクロブタ-3-エン-1,2-ジオン(スクアリン酸)257mg(2.25mmol)、ブタノール:トルエン=1:3の混合溶媒60 mLを入れ、オイルバスを130℃まで加熱し、窒素雰囲気下で加熱還流を行った。反応時間1.5時間でTLCより原料がほぼなくなったため、反応を終了した。
反応液を20 mL程までディーンスターク管を使い濃縮し、オイルバスをOFFにした。その後、シクロヘキサンを20 mL加え、室温まで十分に冷ましたところ目的物が析出したので、吸引ろ過をして回収した。
濾過後にろ物をメタノール50 mLとヘキサン50 mLにて分散洗浄し、減圧乾燥し、目的物2.3gを回収した。精製後の収量1.43g(収率72%)
1HNMR(図3)により合成物を同定した。
(Iv)
In a 100 mL three-necked flask equipped with a Dean-Stark tube, 2.0 g (4.95 mmol) of a dihydroxybenzene derivative obtained by repeating
The reaction solution was concentrated to about 20 mL using a Dean-Stark tube, and the oil bath was turned off. Thereafter, 20 mL of cyclohexane was added, and the product was sufficiently cooled to room temperature. As a result, the target product precipitated, and was collected by suction filtration.
After filtration, the filtrate was dispersed and washed with 50 mL of methanol and 50 mL of hexane and dried under reduced pressure to recover 2.3 g of the desired product. Yield after purification 1.43 g (72% yield)
The synthesized product was identified by 1 HNMR (FIG. 3).
[実施例3]SQ−EBTの合成
(i)ステップ1
50 mLの3つ口フラスコに2-エチルヘキサン-1-アミン5.17 mL(32mmol)、5-ブロモベンゾ[b]チオフェン4.50mg(21mmol)、K2CO31.17g(8.5mmol)、L-プロリン0.730g(6.4mmol)を入れ、DMSO10 mLを加え、オイルバスを40℃に設定した。N2バブリングを60分行った後にCuI 0.807g(4.3mmol)を加え、その後、オイルバスを130℃で加熱し撹拌した。その間での溶液の色の変化は青色→紫色→紺色であった。68時間後、酢酸エチル100mLで分液ロートに流し入れ、飽和食塩水100 mLで5回分液洗浄し、シリカゲル100mLで原点抜きし、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒を減圧除去して黄色の粘体を得た。
その後、シリカゲル350 mLを用いて、ヘキサン:トルエン=1:1を展開溶媒として、カラムクロマトグラフィーにて精製を行い(Rf=2.8)、目的物3.0gを得た。収量3.0g(収率55%)
(I)
In a 50 mL three-necked flask, 5.17 mL (32 mmol) 2-ethylhexane-1-amine, 4.50 mg (21 mmol) 5-bromobenzo [b] thiophene, 1.17 g (8.5 mmol) K 2 CO 3, 0.730 L-proline g (6.4 mmol) was added, 10 mL of DMSO was added, and the oil bath was set to 40 ° C. After carrying out N 2 bubbling for 60 minutes, Cu07 (0.807 g, 4.3 mmol) was added, and then the oil bath was heated at 130 ° C. and stirred. During that time, the color change of the solution was blue → purple → amber. After 68 hours, pour into a separating funnel with 100 mL of ethyl acetate, separate and wash 5 times with 100 mL of saturated brine, remove the origin with 100 mL of silica gel, dry the organic layer with magnesium sulfate, and remove the solvent under reduced pressure to remove yellow A viscous body was obtained.
Thereafter, purification was performed by column chromatography using 350 mL of silica gel with hexane: toluene = 1: 1 as a developing solvent (Rf = 2.8) to obtain 3.0 g of the desired product. Yield 3.0g (55% yield)
(ii)ステップ2
50 mLの3つ口フラスコに、ステップ1で得られたアミン誘導体3.0g(11.4mmol)、1-ブロモ-3,5-ジメトキシベンゼン2.95g(13.6mmol)、脱水キシレン15 mLを入れ、N2バブリングを60分行った。Pd2(dba)3 110mg(0.114mmol)、tBu3PHBF4134mg(0.456mmol)、tBuOK 3.02g(28.5mmol)を加え、オイルバスで140℃、18時間撹拌を行った。
分液ロートに反応物を酢酸エチル100 mLで流し入れ、飽和食塩水100mlでの洗浄を5回行った後、硫酸マグネシウムで乾燥、濃縮し、6.7gの黒色粘体を得た。
その後、シリカゲル350 mLを用い、ヘキサン:トルエン=2:1を展開溶媒として、カラムクロマトグラフィーによる精製を行い、2.9gの粘体を得た。収量2.9g(収率64%)
(Ii)
Placed in a three
The reaction mixture was poured into a separatory funnel with 100 mL of ethyl acetate, washed with 100 mL of saturated brine five times, dried over magnesium sulfate and concentrated to obtain 6.7 g of a black viscous body.
Thereafter, 350 mL of silica gel was used, and purification was performed by column chromatography using hexane: toluene = 2: 1 as a developing solvent to obtain 2.9 g of a viscous body. Yield 2.9g (64% yield)
(iii)ステップ3
50 mLの4つ口フラスコに、ステップ2で得られたジメトキシベンゼン誘導体2.9g(7.3mmol)を脱水CH2Cl220 mLで溶かし入れ、N2フローを行いながら氷浴で30分冷やし、BBr3 26 mL(26mmol)を滴下ロートでゆっくりと加えた。滴下終了後に室温に戻し、途中で脱水CH2Cl210 mLをさらに加え、氷浴下にBBr3 10mL加えて6時間撹拌した。
純水20 mLを滴下ロートで3分につき10滴の速度で滴下した後、30秒につき1滴の速度で加え、反応を終了させた。反応液を分液ロートに移し、飽和食塩水100 mLで3回洗浄分液した。その後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。シリカゲル300mLを用い、塩化メチレン:酢酸エチル=20 : 1を展開溶媒としてカラムクロマトグラフィーを行い(Rf値0.25)、粘体1.6gを得た。収量1.6g(収率59%)
(Iii)
In a 50 mL four-necked flask, dissolve 2.9 g (7.3 mmol) of the dimethoxybenzene derivative obtained in
20 mL of pure water was added dropwise at a rate of 10 drops per 3 minutes with a dropping funnel, and then added at a rate of 1 drop per 30 seconds to complete the reaction. The reaction mixture was transferred to a separatory funnel and washed and separated three times with 100 mL of saturated brine. Then, it was dried with magnesium sulfate. Column chromatography was performed using 300 mL of silica gel and methylene chloride: ethyl acetate = 20: 1 as a developing solvent (Rf value 0.25) to obtain 1.6 g of a viscous body. Yield 1.6g (Yield 59%)
(iv)ステップ4
ディーンスターク管を取り付けた100 mLの3つ口フラスコに、ステップ3で得られたジヒドロキシベンゼン誘導体1.6g(4.3mmol)、3,4-ジヒドロキシシクロブタ-3-エン-1,2-ジオン228 mg(2.0 mmol)、ブタノール:トルエン=1:3の混合溶媒を入れ、オイルバスで130℃に加熱し、窒素雰囲気下で加熱還流を行った。反応時間9.5時間でTLCより原料がほぼなくなったため、反応を終了した。
反応液を20〜25 mL程、ディーンスターク管を使い濃縮し、オイルバスをOFFにした。その後、80℃まで冷却しシクロヘキサンを20 mL加え、室温まで十分に冷ましたところ目的物が析出したので、吸引ろ過をして回収した。濾過後にろ物を、メタノール40 mLとヘキサン40 mLにて分散洗浄し、減圧乾燥を3.5時間行い、1.6g回収した。収量1.6g(収率98%)
1HNMR(図4)により合成物を同定した。
(Iv)
To a 100 mL three-necked flask equipped with a Dean-Stark tube, 1.6 g (4.3 mmol) of the dihydroxybenzene derivative obtained in
The reaction solution was concentrated to about 20-25 mL using a Dean-Stark tube, and the oil bath was turned off. Thereafter, the reaction mixture was cooled to 80 ° C., 20 mL of cyclohexane was added, and the mixture was sufficiently cooled to room temperature. After filtration, the residue was dispersed and washed with 40 mL of methanol and 40 mL of hexane and dried under reduced pressure for 3.5 hours to recover 1.6 g. Yield 1.6g (98% yield)
The synthesized product was identified by 1 HNMR (FIG. 4).
[実施例4]SQ−EBFの合成
(i)ステップ1
50 mLの3つ口フラスコに2-エチルヘキサン-1-アミン 4.91mL(30mmol)、5-ブロモベンゾフラン 2.55 mL(20mmol)、K2CO31.1g(8.0mmol)、L-プロリン 690mg(6.0mmol)を入れ、DMSOを加え、オイルバスを40℃に設定した。バブリングを60分行った後にCuI 760mg(4.0mmol)を加え、その後、オイルバスを130℃で加熱し撹拌した。その間での溶液の色の変化は青色→紫色→紺色であった。69時間後、反応液を酢酸エチル100 mLで分液ロートに流し入れ、100 mLの飽和食塩水で9回分液洗浄し、シリカゲル100 mLで原点抜きし、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥させた。エバポレーターにて溶媒を減圧除去し、黄色の粘体を得た。
その後、ヘキサン:トルエン=1:1を展開溶媒として、カラムクロマトグラフィーにより精製し(Rf=2.8)、2.6gの目的物を得た。収量2.6g(収率53%)
(I)
In a 50 mL three-necked flask, 4-ethylhexane-1-amine 4.91 mL (30 mmol), 5-bromobenzofuran 2.55 mL (20 mmol), K 2 CO 3 1.1 g (8.0 mmol), L-proline 690 mg (6.0 mmol) ), DMSO was added, and the oil bath was set to 40 ° C. After bubbling for 60 minutes, 760 mg (4.0 mmol) of CuI was added, and then the oil bath was heated at 130 ° C. and stirred. During that time, the color change of the solution was blue → purple → amber. After 69 hours, the reaction solution was poured into a separatory funnel with 100 mL of ethyl acetate, separated and washed 9 times with 100 mL of saturated brine, the origin was removed with 100 mL of silica gel, and the organic layer was dried over magnesium sulfate. The solvent was removed under reduced pressure with an evaporator to obtain a yellow viscous body.
Thereafter, purification was performed by column chromatography using hexane: toluene = 1: 1 as a developing solvent (Rf = 2.8) to obtain 2.6 g of the desired product. Yield 2.6g (53% yield)
(ii)ステップ2
50 mLの3つ口フラスコに、ステップ1で得られたアミン誘導体2.6g(10.6mmol)、1-ブロモ-3,5-ジメトキシベンゼン 2.76g(12.7mmol)、脱水キシレン15 mLを入れ、N2バブリングを60分行った。Pd2(dba)3 100mg(0.11mmol)、tBu3PHBF4、122mg(0.42mmol)、tBuOK 2.96g(26.5mmol)を加え、オイルバスを140℃に設定して加熱撹拌を行い、18時間後に反応を止めた。反応液を酢酸エチル100 mLで分液ロートに流し入れ、飽和食塩水100 mLでの洗浄を5回行った。その後、硫酸マグネシウムで脱水し、エバポレーターにて溶媒を減圧除去し、6.4gの黒色粘体を得た。
ヘキサン:トルエン=1:2を展開溶媒としてカラムクロマトグラフィーにより精製を行い、2.5gの粘体を得た。収量2.5g(収率62%)
(Ii)
Placed in a three
Purification was performed by column chromatography using hexane: toluene = 1: 2 as a developing solvent to obtain 2.5 g of a viscous body. Yield 2.5g (62% yield)
(iii)ステップ3
50 mLの4つ口フラスコに、ステップ2で得られたジメトキシベンゼン誘導体3.0g(7.8mmol)を脱水CH2Cl2 11 mLで溶かし入れ、N2フローを行いながら氷浴で30分冷やした。氷浴で十分に冷やしているところにBBr3 17 mL(17.3mmol)を滴下ロートでゆっくりと加えた。
TLCで反応が進行したことを確認し、純水20 mLを滴下ロートでゆっくりと加え(最初の10滴まで1滴/3分、その後1滴/30秒)、反応を終了させた。反応液を分液ロートに移し、飽和食塩水100 mLで3回洗浄分液した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。
塩化メチレン:酢酸エチル=20 : 1を展開溶媒として、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(Rf値0.22)により精製を行った。目的物を単離したことを確認後、エバポレーターで溶媒を減圧除去し、粘体1.4gを得た。収量1.4g(収率51%)
(Iii)
In a 50 mL four-necked flask, 3.0 g (7.8 mmol) of the dimethoxybenzene derivative obtained in
After confirming that the reaction had progressed with TLC, 20 mL of pure water was slowly added with a dropping funnel (1 drop / 3 minutes up to the first 10 drops, then 1 drop / 30 seconds) to complete the reaction. The reaction solution was transferred to a separatory funnel, washed and separated three times with 100 mL of saturated brine, and then dried over magnesium sulfate.
Purification was performed by silica gel column chromatography (Rf value 0.22) using methylene chloride: ethyl acetate = 20: 1 as a developing solvent. After confirming that the desired product was isolated, the solvent was removed under reduced pressure with an evaporator to obtain 1.4 g of a viscous body. Yield 1.4g (51% yield)
(iv)ステップ4
ディーンスターク管を取り付けた100 mLの3つ口フラスコに、ジヒドロキシベンゼン誘導体 1.4g(3.7mmol)、3,4-ジヒドロキシシクロブタ-3-エン-1,2-ジオン 190mg(1.67mmol)、ブタノール:トルエン=1:3の混合溶媒60 mLを入れ、オイルバスを130℃まで加熱し、窒素雰囲気下で加熱還流を行った。反応時間1.5時間でTLCより原料がほぼなくなったため、反応を終了した。
反応液を20 mL程までディーンスターク管を使い濃縮し、オイルバスをOFFにした。その後、シクロヘキサンを20 mL加え室温まで十分に冷ましたところ目的物が析出したので、吸引ろ過をして回収した。
濾過後に目的物をメタノール50mLとヘキサン50mLにて分散洗浄し、減圧乾燥して1.0g回収、保存した。収量1.0g(収率76%)
1HNMR(図5)により合成物を同定した。
(Iv)
In a 100 mL three-necked flask equipped with a Dean-Stark tube, 1.4 g (3.7 mmol) of a dihydroxybenzene derivative, 190 mg (1.67 mmol) of 3,4-dihydroxycyclobut-3-ene-1,2-dione, butanol: 60 mL of a mixed solvent of toluene = 1: 3 was added, the oil bath was heated to 130 ° C., and heated under reflux in a nitrogen atmosphere. The reaction was completed because the starting material was almost free from TLC in 1.5 hours.
The reaction solution was concentrated to about 20 mL using a Dean-Stark tube, and the oil bath was turned off. Thereafter, 20 mL of cyclohexane was added and the mixture was sufficiently cooled to room temperature. As a result, the target product precipitated, and was collected by suction filtration.
After filtration, the target product was dispersed and washed with 50 mL of methanol and 50 mL of hexane, dried under reduced pressure, and 1.0 g was collected and stored. Yield 1.0g (76% yield)
The synthesized product was identified by 1 HNMR (FIG. 5).
[試験例1]熱・光学特性の評価
光学特性評価に用いた主な機器及び測定条件は以下のとおりである。
(1)紫外・可視(UV−vis)分光光度計
(株)島津製作所製 UV−3150
測定条件;スキャンスピード 中速、測定範囲 200〜800nm サンプリングピッチ 0.5nm、スリット幅 0.5nm
(2)サイクリックボルタンメトリー(CV)測定装置
ALS 660Bモデル 電気化学アナライザー(ビーエーエス株式会社)
測定条件;溶媒として、ジクロロメタン(6mL)、フェロセン(1.0mg)、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレート(170mg)の存在下、試料濃度を0.5mMに調整して測定した。測定環境は、グローブボックス中、窒素下にて行った。
(3)光電子収量分光(PYS)装置
住友重機械工業(株)製イオン化ポテンシャル測定装置
イオン化ポテンシャル測定装置を用いて、真空中でイオン化ポテンシャル(Ip)の測定を行った。
なお、電子親和力(Ea)は、UV−vis吸収スペクトルの吸収端よりエネルギーギャップ(Eg)を見積もることによって算出した。
(4)熱分析装置
(株)パーキンエルマージャパン製 TGAダイアモンド及びDSCDTA
[Test Example 1] Evaluation of thermal and optical characteristics The main equipment and measurement conditions used for optical characteristics evaluation are as follows.
(1) Ultraviolet / visible (UV-vis) spectrophotometer UV-3150 manufactured by Shimadzu Corporation
Measurement conditions: medium scan speed, measurement range 200 to 800 nm, sampling pitch 0.5 nm, slit width 0.5 nm
(2) Cyclic voltammetry (CV) measuring device
ALS 660B Model Electrochemical Analyzer (BS Corporation)
Measurement conditions: Measurement was performed by adjusting the sample concentration to 0.5 mM in the presence of dichloromethane (6 mL), ferrocene (1.0 mg), and tetrabutylammonium tetrafluoroborate (170 mg) as a solvent. The measurement environment was performed in a glove box under nitrogen.
(3) Photoelectron Yield Spectroscopy (PYS) Device Ionization Potential Measurement Device manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Ionization potential (Ip) was measured in vacuum using an ionization potential measurement device.
The electron affinity (E a ) was calculated by estimating the energy gap (E g ) from the absorption edge of the UV-vis absorption spectrum.
(4) Thermal analyzer TGA diamond and DSCDTA manufactured by PerkinElmer Japan Co., Ltd.
実施例1〜4で合成した化合物と、従来例SQ−EP及びSQ−EBとの比較において、熱・光学特性の評価を行った。
実施例1〜4の化合物をそれぞれクロロホルムに溶解させた1.0 x 10-5M溶液、及びこれをフィルムキャストした薄膜のUV−vis吸収スペクトルを図56及び67に示す。
SQ-EDT、SQ-EDF、SQ-EBT及びSQ-EBFの熱特性及び光学特性の結果を表1に示す。
Table 1 shows the results of thermal properties and optical properties of SQ-EDT, SQ-EDF, SQ-EBT and SQ-EBF.
SQ-EPと比較して、実施例1〜4の化合物はいずれも、縮合環を導入したことにより、剛直性が増し、熱耐性が大きく向上した。SQ-EBTとSQ-EBFでは、吸収波長が若干長波長化しており、狙い通り共役長の拡張を達成している(図56、67)。一方、SQ-EDTとSQ-EDFにおいては、その吸収波長から、ジベンゾチオフェン、ジベンゾフランの部位がねじれているために、SQ-EBTとSQ-EBFに比べて、共役長が短くなっていると考えられる。またドナー部位のねじれと共役長の短波長化からSQ-EDT、SQ-EDFではバンドギャップが若干大きくなり、HOMOが深くなっていることが分かる。モル吸光係数に関しては、SQの基本骨格が同じであるため、ほとんど差はなかった。
なお、HOMO/LUMOの算出には以下の式を用いた。
EHOMO (eV)= -[ Eox onset -E1/2(Fc/Fc+)+4.8]
ELUMO (eV)= -[ Ered onset -E1/2(Fc/Fc+)+4.8]
Compared to SQ-EP, all of the compounds of Examples 1 to 4 were improved in rigidity and greatly improved heat resistance by introducing a condensed ring. In SQ-EBT and SQ-EBF, the absorption wavelength is slightly longer, and the conjugate length has been extended as intended (FIGS. 56 and 67). On the other hand, in SQ-EDT and SQ-EDF, the conjugation length is considered shorter than SQ-EBT and SQ-EBF because the dibenzothiophene and dibenzofuran sites are twisted from the absorption wavelength. It is done. It can also be seen that the band gap is slightly larger and the HOMO is deeper in SQ-EDT and SQ-EDF due to the twist of the donor site and the shortening of the conjugate length. Regarding the molar extinction coefficient, there was almost no difference because the basic skeleton of SQ was the same.
In addition, the following formula was used for calculation of HOMO / LUMO.
E HOMO (eV) =-[E ox onset -E1 / 2 (Fc / Fc + ) +4.8]
E LUMO (eV) =-[E red onset -E1 / 2 (Fc / Fc + ) +4.8]
[試験例2]溶解性評価
実施例1及び2で合成したSQ−EDF、SQ−EDTと、従来例SQ−EBとの比較において、熱・光学特性の評価を行った。
上記化合物をそれぞれ6.7mgずつサンプル管に秤りとり、クロロホルム、クロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン、シクロペンタノン、シクロヘキサノンを1 mL加え(6.7mg/1 mL)、最終的に溶媒を4 mLまで加えて溶解性を確認した。
SQ-EDTはこれらの溶媒のいずれにも溶解しなかったが、SQ-EDFはクロロホルムには素子化可能な濃度(6.7mg/mL)で溶解した。
Weigh each 6.7 mg of the above compound into a sample tube, add 1 mL of chloroform, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, cyclopentanone, and cyclohexanone (6.7 mg / 1 mL), and finally add the solvent to 4 mL. The solubility was confirmed.
SQ-EDT did not dissolve in any of these solvents, but SQ-EDF dissolved in chloroform at a concentration capable of forming an element (6.7 mg / mL).
結果を表2に示す。○は完全に溶解したことを表し、×は一部又は全部が溶解しなかったことを表す。
[試験例3]太陽電池特性評価
素子構造及び成膜方法・条件は以下のとおりである。
素子構造:[ITO / MoO3 (8 nm) / SQ-EBT:PC71BM=1:2/ BCP (5 nm) / Al (100 nm)]
成膜方法・条件:
ガラスITO基板は基板洗浄後、UV-オゾン処理を20分
MoO3、BCP、Alは真空蒸着(3.0×10-4Pa以下)
蒸着速度:MoO3 = 0.2〜0.3 Å/s、BCP = 0.2〜0.3 Å/s、Al = 5.0 Å/s
SQ-EBT:PC71BMの20 mg/mL CHCl3溶液を3000 rpmでスピンキャスト(as cast)
[Test Example 3] Evaluation of solar cell characteristics The element structure, film formation method and conditions are as follows.
Device structure: [ITO / MoO 3 (8 nm) / SQ-EBT: PC 71 BM = 1: 2 / BCP (5 nm) / Al (100 nm)]
Deposition method and conditions:
Glass ITO substrate is cleaned with UV-ozone treatment for 20 minutes
MoO 3 , BCP and Al are vacuum-deposited (3.0 × 10 -4 Pa or less)
Deposition rate: MoO 3 = 0.2 to 0.3 Å / s, BCP = 0.2 to 0.3 Å / s, Al = 5.0 Å / s
SQ-EBT: PC 71 BM 20 mg / mL CHCl 3 solution as cast at 3000 rpm
すなわち、陽極として、ガラス基板の全面に酸化インジウムスズ(ITO)膜が塗布されたITO基板を準備し、ITO電極の上に、正孔輸送層として、8nm厚の酸化モリブデン(VI)(MoO3)層を積層させ、その上に活性層として、ドナー材料に、実施例3で得られたSQ−EBTと、アクセプター材料に[6,6]−フェニルC71酪酸メチル(PC71BM)とを1:2の質量比で混合したものを70〜100nm厚となるように塗布し、その上に電子輸送層として、5nm厚の2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン(BCP)を積層し、陰極として100nm厚のアルミニウム板を積層させて、BHJ型太陽電池の素子を作製し(図78)、特性評価を行った。
素子特性として、擬似太陽光 100 mW/cm2 照射下に測定し、短絡電流密度(Jsc),開放電圧(Voc)、曲線因子(FF)、及び光電変換効率(PCE)を求めた.外部量子収率(EQE)スペクトルは室温で測定した。
That is, an ITO substrate in which an indium tin oxide (ITO) film is coated on the entire surface of a glass substrate is prepared as an anode, and 8 nm-thick molybdenum oxide (VI) (MoO 3 ) is formed as a hole transport layer on the ITO electrode. ) Layer, and as an active layer thereon, SQ-EBT obtained in Example 3 was used as the donor material, and [6,6] -phenyl C71 methyl butyrate (PC 71 BM) was used as the acceptor material. : A mixture with a mass ratio of 2 was applied so as to be 70 to 100 nm thick, and an electron transporting layer was applied thereon as a 5 nm thick 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline ( BCP) was laminated, and an aluminum plate with a thickness of 100 nm was laminated as a cathode to produce a BHJ type solar cell element (FIG. 78), and the characteristics were evaluated.
As element characteristics, measurement was performed under irradiation of 100 mW / cm 2 of pseudo sunlight, and short circuit current density (J sc) , open circuit voltage (V oc) , fill factor (FF), and photoelectric conversion efficiency (PCE) were obtained. External quantum yield (EQE) spectra were measured at room temperature.
なお、PC71BM及びBCPの構造式は以下のとおりである。
今回は用いた素子構造では、SQ−EBTを用いた素子では、SQ−EPを用いた素子に比べて、VOC(開放電圧)はあまり変わらず、JSC(短絡電流密度)は小さい傾向にある。また、SQ−EBTを用いた素子では、SQ−EPを用いた素子に比べて、RS(直列抵抗)は大きく、RSh(並列抵抗)は小さく、さらにFF(曲線因子)も低いため、PCE(光電変換効率)も低くなり、素子性能に改善の余地がある。 In the element structure used this time, in the element using SQ-EBT, V OC (open circuit voltage) does not change much compared to the element using SQ-EP, and J SC (short circuit current density) tends to be small. is there. In addition, an element using SQ-EBT has a larger R S (series resistance), smaller R Sh (parallel resistance), and lower FF (curve factor) than an element using SQ-EP. PCE (photoelectric conversion efficiency) also becomes low, and there is room for improvement in device performance.
1 基板
2 陽極
3 正孔輸送層
4 活性層
5 電子輸送層
6 陰極
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JPWO2020054627A1 (en) * | 2018-09-14 | 2021-09-02 | コニカミノルタ株式会社 | Squalilium compounds, luminescent compositions and luminescent films |
WO2022138926A1 (en) * | 2020-12-25 | 2022-06-30 | 富士フイルム株式会社 | Resin composition, dried coating, melt-kneaded mixture, optical filter, image display device, solid imaging element, and squarylium compound and production method therefor |
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2017
- 2017-02-10 JP JP2017022914A patent/JP2018127425A/en active Pending
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