JP5440208B2 - Organic photoelectric conversion element, solar cell, and optical sensor array - Google Patents
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Description
本発明は、有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイに関し、さらに詳しくは、バルクへテロジャンクション型の有機光電変換素子、この有機光電変換素子を用いた太陽電池及び光センサアレイに関する。 The present invention relates to an organic photoelectric conversion element, a solar cell, and an optical sensor array. More specifically, the present invention relates to a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical sensor array.
近年の化石エネルギーの高騰によって、自然エネルギーから直接電力を発電できるシステムが求められており、単結晶・多結晶・アモルファスのSiを用いた太陽電池、GaAsやCIGS等の化合物系の太陽電池、あるいは色素増感型光電変換素子(グレッツェルセル)等が提案・実用化されている。 Due to the recent rise in fossil energy, there is a demand for a system that can generate power directly from natural energy. Solar cells using single-crystal / polycrystalline / amorphous Si, compound-based solar cells such as GaAs and CIGS, or Dye-sensitized photoelectric conversion elements (Gretzel cells) have been proposed and put into practical use.
しかしながら、これらの太陽電池で発電するコストは未だ化石燃料を用いて発電・送電される電気の価格よりも高いものとなっており、普及の妨げとなっていた。また、基板に重いガラスを用いなければならないため、設置時に補強工事が必要であり、これらも発電コストが高くなる一因であった。 However, the cost of generating electricity with these solar cells is still higher than the price of electricity generated and transmitted using fossil fuels, which has hindered widespread use. In addition, since heavy glass must be used for the substrate, reinforcement work is required at the time of installation, which is one of the causes that increase the power generation cost.
このような状況に対し、化石燃料による発電コストよりも低い発電コストを達成しうる太陽電池として、陽極と陰極との間に電子供与体層(p型半導体層)と電子受容体層(n型半導体層)とが混合されたバルクへテロジャンクション層を挟んだバルクへテロジャンクション型光電変換素子(例えば、非特許文献1、特許文献1参照)が提案されている。 In such a situation, as a solar cell that can achieve a power generation cost lower than that of fossil fuel, an electron donor layer (p-type semiconductor layer) and an electron acceptor layer (n-type) are provided between the anode and the cathode. A bulk heterojunction photoelectric conversion element sandwiching a bulk heterojunction layer mixed with a semiconductor layer) (for example, see Non-Patent Document 1 and Patent Document 1) has been proposed.
これらのバルクへテロジャンクション型太陽電池においては、陽極・陰極以外は塗布プロセスで形成されているため、高速かつ安価な製造が可能であると期待され、前述の発電コストの課題を解決できる可能性がある。さらに、上記のSi系太陽電池・化合物半導体系太陽電池・色素増感太陽電池等と異なり、160℃より高温のプロセスがないため、安価かつ軽量なプラスチック基板上への形成も可能であると期待される。 These bulk heterojunction solar cells are formed by a coating process except for the anode and cathode, and are expected to be able to be manufactured at high speed and at low cost. There is. Furthermore, unlike the above Si-based solar cells, compound semiconductor-based solar cells, dye-sensitized solar cells, etc., there is no process at a temperature higher than 160 ° C., so it is expected that it can be formed on a cheap and lightweight plastic substrate. Is done.
なお発電コストには、初期の製造コスト以外にも発電効率及び素子の耐久性も含めて算出されなければならないが、前記非特許文献1では、太陽光スペクトルを効率よく吸収するために、約900nmまで吸収可能な低バンドギャップ有機高分子(PCPDTBT)を用いることによって、6.5%といった変換効率を達成するに至っている。 In addition to the initial manufacturing cost, the power generation cost must be calculated including the power generation efficiency and the durability of the element. In Non-Patent Document 1, in order to efficiently absorb the solar spectrum, the power generation cost is about 900 nm. By using a low band gap organic polymer (PCPDTBT) that can absorb up to 6%, conversion efficiency of 6.5% has been achieved.
他方で寿命に関してはシリコンやGaAs、CIGS等の無機系太陽電池に対しては低いものにとどまっていた。前記非特許文献1の有機光電変換素子においても、100時間で約6割まで光電変換効率が低下したと報告されている。 On the other hand, the lifetime is low for inorganic solar cells such as silicon, GaAs, and CIGS. Even in the organic photoelectric conversion element of Non-Patent Document 1, it has been reported that the photoelectric conversion efficiency has decreased to about 60% in 100 hours.
このような光電変換効率の低下の原因の一つとして、透明電極と光電変換層(バルクヘテロジャンクション層、BHJ層)との間に形成される正孔輸送層のPEDOT:PSSからの酸性成分が経時で拡散して金属電極を腐食することが原因であるといった報告(非特許文献2参照)がされている。このような対策として、正孔輸送層をPEDOT:PSSから酸化モリブデンへと変換することで抑制できるといった解決策も示しているが、酸化モリブデンは真空プロセスでの製膜であり、低コストに製膜することが困難であるといった課題を有しており、現実的にはPEDOT:PSSからなる正孔輸送層は必須である。 As one of the causes of such a decrease in photoelectric conversion efficiency, the acidic component from PEDOT: PSS of the hole transport layer formed between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer (bulk heterojunction layer, BHJ layer) (See Non-Patent Document 2) that the cause is that the metal electrode is diffused and corroded. As a countermeasure, a solution that can be suppressed by converting the hole transport layer from PEDOT: PSS to molybdenum oxide is also shown. However, molybdenum oxide is formed by a vacuum process, and is manufactured at low cost. There is a problem that it is difficult to form a film, and a hole transport layer made of PEDOT: PSS is practically essential.
このような課題に対して、本発明者らは、このような正孔輸送層からの拡散成分をトラップすることで金属電極の腐食を抑制し、有機薄膜太陽電池の寿命を向上できるのではないかと考えた。 In response to such problems, the present inventors cannot suppress the corrosion of the metal electrode by trapping the diffusion component from such a hole transport layer and improve the lifetime of the organic thin film solar cell. I thought.
すなわち、光電変換層において配合比の高いフラーレン誘導体に、高い塩基性を有するアルキルアミノ基・シクロアルキルアミノ基を導入することで、これらの正孔輸送層からの酸性成分の金属電極への拡散を抑え、有機光電変換素子の寿命を向上できることを見出した。このような効果は、アミノ基の非共有電子対が共役系に取り込まれて塩基性を発揮しえないような、非特許文献3のようなトリアリールアミン置換のフラーレンでは期待できない効果である。 In other words, by introducing alkylamino groups and cycloalkylamino groups having high basicity into fullerene derivatives with a high compounding ratio in the photoelectric conversion layer, diffusion of acidic components from these hole transport layers to the metal electrode can be achieved. It was found that the lifetime of the organic photoelectric conversion element can be improved. Such an effect is an effect that cannot be expected with a triarylamine-substituted fullerene as in Non-Patent Document 3, in which an unshared electron pair of an amino group is incorporated into a conjugated system and cannot exhibit basicity.
また、特許文献1においては、アニリン誘導体で置換されたフラーレン誘導体が開示されているが、共役系高分子との混合によるバルクヘテロジャンクション系有機光電変換素子への応用について記載はなく、さらにこのような寿命向上効果については想定できないものである。 In addition, Patent Document 1 discloses a fullerene derivative substituted with an aniline derivative, but there is no description on application to a bulk heterojunction organic photoelectric conversion device by mixing with a conjugated polymer. The life improvement effect cannot be assumed.
さらには、非特許文献3等で開示されているように、アミノ基による電子供与効果によってフラーレン誘導体のLUMO準位が浅くなり、有機光電変換素子の開放電圧(Voc)が向上して光電変換効率の向上も期待できることも見出した。 Further, as disclosed in Non-Patent Document 3 and the like, the LUMO level of the fullerene derivative becomes shallow due to the electron donating effect by the amino group, and the open-circuit voltage (Voc) of the organic photoelectric conversion element is improved, thereby improving the photoelectric conversion efficiency. It was also found that improvement can be expected.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高い耐久性を提供しうるフラーレン誘導体を含有し、さらには高い開放電圧を有し、光電変換効率が高い有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an organic photoelectric conversion element that contains a fullerene derivative capable of providing high durability, has a high open-circuit voltage, and has high photoelectric conversion efficiency. It is to provide a solar cell and an optical sensor array.
本発明者らは、有機薄膜太陽電池の耐久性向上のため、正孔輸送層からの酸性成分の金属電極への拡散を防ぐ材料として、本発明のアミノ基含有フラーレン誘導体が有用であることを見出した。 The present inventors have found that the amino group-containing fullerene derivative of the present invention is useful as a material for preventing the diffusion of acidic components from the hole transport layer to the metal electrode in order to improve the durability of the organic thin film solar cell. I found it.
また、一部のフラーレン化合物では、さらに開放電圧(Voc)向上が可能であり、さらなる高効率化が可能であることも見出した。 It was also found that some fullerene compounds can further improve the open-circuit voltage (Voc), and can further increase the efficiency.
すなわち、本発明の上記目的は、以下の構成により達成することができる。 That is, the above object of the present invention can be achieved by the following configuration.
1.対極と透明電極の間に、少なくとも下記一般式(1)で表される化合物を含有する有機層を有することを特徴とする有機光電変換素子。 1. An organic photoelectric conversion element comprising an organic layer containing at least a compound represented by the following general formula (1) between a counter electrode and a transparent electrode.
(式中、A1は置換または無置換の5員または6員の芳香族環を表し、R1はアルキル基またはシクロアルキル基を表す。R2〜R3はそれぞれ独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基、またはこれらが複数連結した置換基を表す。また、R2〜R3は互いに結合して環を形成してもよい。m、nは1〜3の整数を表す。また、これらの置換基が結合されている球状の構造はC60〜C540のフラーレン構造を表す。)
2.前記一般式(1)におけるR2が、アルキル基またはシクロアルキル基であることを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, A 1 represents a substituted or unsubstituted 5-membered or 6-membered aromatic ring, R 1 represents an alkyl group or a cycloalkyl group. R 2 to R 3 each independently represents a hydrogen atom, Or an unsubstituted alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, an amino group, an ether group, a thioether group, or a substituent in which a plurality of these are linked, and R 2 to R. 3 may combine with each other to form a ring, and m and n each represent an integer of 1 to 3. A spherical structure to which these substituents are bonded represents a C60 to C540 fullerene structure. )
2. 2. The organic photoelectric conversion device as described in 1 above, wherein R 2 in the general formula (1) is an alkyl group or a cycloalkyl group.
3.前記一般式(1)におけるR3が、アルキル基またはシクロアルキル基であることを特徴とする前記1または2に記載の有機光電変換素子。 3. 3. The organic photoelectric conversion device as described in 1 or 2 above, wherein R 3 in the general formula (1) is an alkyl group or a cycloalkyl group.
4.前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2)または(3)で表される化合物であることを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。 4). 2. The organic photoelectric conversion device according to 1 above, wherein the compound represented by the general formula (1) is a compound represented by the following general formula (2) or (3).
(式中、A2は置換または無置換の5員または6員の芳香族環を表し、R4〜R7はそれぞれ独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基、またはこれらが複数連結した置換基を表す。また、R4〜R7は互いに結合して環を形成してもよい。nは1〜3の整数を表す。L1、L2は単結合、アルキレン基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基、シリレン基、ケトン基、ホスフィノ基、ホスホリル基またはこれらが複数連結した置換基から選ばれる2価の連結基を表す。また、これらの置換基が結合されている球状の構造はC60〜C540のフラーレン構造を表す。)
5.前記一般式(2)で表される化合物のL1またはL2がアルキレン基であることを特徴とする前記4に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, A 2 represents a substituted or unsubstituted 5-membered or 6-membered aromatic ring, and R 4 to R 7 each independently represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, an alkenyl group, or an alkynyl group. , A cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, an amino group, an ether group, a thioether group, or a substituent in which a plurality of these are connected, and R 4 to R 7 may be bonded to each other to form a ring. N represents an integer of 1 to 3. L 1 and L 2 each represents a single bond, an alkylene group, an amino group, an ether group, a thioether group, a silylene group, a ketone group, a phosphino group, a phosphoryl group, or a plurality of these. (It represents a divalent linking group selected from substituents, and the spherical structure to which these substituents are bonded represents a C60-C540 fullerene structure.)
5. 5. The organic photoelectric conversion device as described in 4 above, wherein L 1 or L 2 of the compound represented by the general formula (2) is an alkylene group.
6.前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(4)で表される化合物であることを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。 6). 2. The organic photoelectric conversion device according to 1 above, wherein the compound represented by the general formula (1) is a compound represented by the following general formula (4).
(式中、Xは置換または無置換の窒素原子、酸素原子、硫黄原子、及びCR15=CR16−、−CR17=N−、−N=N−から選ばれる芳香族環を形成しうる連結基またはカルコゲン原子を表す。R8〜R17は、それぞれ独立に、水素原子、または、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基、ケトン基、エステル基、アミド基、またはこれらが複数連結した置換基を表す。nは1〜3の整数を表す。また、これらの置換基が結合されている球状の構造はC60〜C540のフラーレン構造を表す。)
7.前記一般式(4)で表される化合物のXが−CR15=CR16−であることを特徴とする前記6に記載の有機光電変換素子。R15、R16は前記一般式(4)のR15、R16と同義である。
(Wherein, X is a substituted or unsubstituted nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, and CR 15 = CR 16 -, - CR 17 = N -, - N = can form an aromatic ring selected from N- R 8 to R 17 each independently represent a hydrogen atom, or a substituted or unsubstituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group, heteroaryl group, amino group, or a linking group or a chalcogen atom. A group, an ether group, a thioether group, a ketone group, an ester group, an amide group, or a substituent in which a plurality of these groups are connected, n represents an integer of 1 to 3. In addition, a sphere to which these substituents are bonded Represents a fullerene structure of C60 to C540.)
7). X of the compound represented by the said General formula (4) is -CR < 15 > = CR < 16 >-, The organic photoelectric conversion element of said 6 characterized by the above-mentioned. R 15, R 16 has the same meaning as R 15, R 16 in the general formula (4).
8.前記一般式(4)で表される化合物のR9がアルキル基であることを特徴とする前記6または7に記載の有機光電変換素子。 8). 8. The organic photoelectric conversion element as described in 6 or 7 above, wherein R 9 of the compound represented by the general formula (4) is an alkyl group.
9.前記有機層が溶液プロセスによって形成されていることを特徴とする前記1〜8のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。 9. 9. The organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 8, wherein the organic layer is formed by a solution process.
10.前記有機層が、前記一般式(1)〜(3)のいずれかで表される化合物と、共役高分子材料とを含有するバルクへテロジャンクション層であることを特徴とする前記1〜9のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。 10. 1 to 9 above, wherein the organic layer is a bulk heterojunction layer containing a compound represented by any one of the general formulas (1) to (3) and a conjugated polymer material. The organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1.
11.前記1〜10のいずれか1項に記載の有機光電変換素子からなることを特徴とする太陽電池。 11. It consists of the organic photoelectric conversion element of any one of said 1-10, The solar cell characterized by the above-mentioned.
12.前記1〜10のいずれか1項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。 12 The organic photoelectric conversion element of any one of said 1-10 is arrange | positioned at array form, The optical sensor array characterized by the above-mentioned.
本発明により、高い耐久性を提供しうるフラーレン誘導体を含有し、さらには高い開放電圧を有し、光電変換効率が高い有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイを提供することができた。 According to the present invention, an organic photoelectric conversion element, a solar cell, and an optical sensor array that contain a fullerene derivative capable of providing high durability, have a high open-circuit voltage, and have high photoelectric conversion efficiency can be provided.
以下本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The best mode for carrying out the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited thereto.
(有機光電変換素子及び太陽電池の構成)
図1は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなるシングル構成(バルクヘテロジャンクション層が1層の構成)の太陽電池の一例を示す断面図である。図1において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10は、基板11の一方面上に、透明電極(陽極)12、正孔輸送層17、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部14、電子輸送層(またはバッファ層とも言う)18及び対極(陰極)13が順次積層されている。
(Configuration of organic photoelectric conversion element and solar cell)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell having a single configuration (a configuration having one bulk heterojunction layer) composed of a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element. In FIG. 1, a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 10 includes a transparent electrode (anode) 12, a hole transport layer 17, a photoelectric conversion unit 14 in a bulk heterojunction layer, an electron transport layer (or an electron transport layer) (Also referred to as a buffer layer) 18 and a counter electrode (cathode) 13 are sequentially stacked.
基板11は、順次積層された透明電極12、光電変換部14及び対極13を保持する部材である。本実施形態では、基板11側から光電変換される光が入射するので、基板11は、この光電変換される光を透過させることが可能な、すなわち、この光電変換すべき光の波長に対して透明な部材である。基板11は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が用いられる。この基板11は必須ではなく、例えば、光電変換部14の両面に透明電極12及び対極13を形成することでバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10が構成されてもよい。 The substrate 11 is a member that holds the transparent electrode 12, the photoelectric conversion unit 14, and the counter electrode 13 that are sequentially stacked. In the present embodiment, since light that is photoelectrically converted enters from the substrate 11 side, the substrate 11 can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, with respect to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. It is a transparent member. As the substrate 11, for example, a glass substrate or a resin substrate is used. The substrate 11 is not essential. For example, the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 10 may be configured by forming the transparent electrode 12 and the counter electrode 13 on both surfaces of the photoelectric conversion unit 14.
光電変換部14は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有して構成される。p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能する。ここで、電子供与体及び電子受容体は、“光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する電子供与体及び電子受容体”であり、電極のように単に電子を供与あるいは受容するものではなく、光反応によって電子を供与あるいは受容するものである。 The photoelectric conversion unit 14 is a layer that converts light energy into electric energy, and includes a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed. The p-type semiconductor material functions relatively as an electron donor (donor), and the n-type semiconductor material functions relatively as an electron acceptor (acceptor). Here, the electron donor and the electron acceptor are “an electron donor in which, when light is absorbed, electrons move from the electron donor to the electron acceptor to form a hole-electron pair (charge separation state)”. And an electron acceptor ”, which does not simply donate or accept electrons like an electrode, but donates or accepts electrons by a photoreaction.
図1において、基板11を介して透明電極12から入射された光は、光電変換部14のバルクヘテロジャンクション層における電子受容体あるいは電子供与体で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。発生した電荷は、内部電界、例えば、透明電極12と対極13の仕事関数が異なる場合では透明電極12と対極13との電位差によって、電子は電子受容体間を通り、また正孔は電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。例えば、透明電極12の仕事関数が対極13の仕事関数よりも大きい場合では、電子は透明電極12へ、正孔は対極13へ輸送される。なお、仕事関数の大小が逆転すれば、電子と正孔はこれとは逆方向に輸送される。また、透明電極12と対極13との間に電位をかけることにより、電子と正孔の輸送方向を制御することもできる。 In FIG. 1, light incident from the transparent electrode 12 through the substrate 11 is absorbed by the electron acceptor or electron donor in the bulk heterojunction layer of the photoelectric conversion unit 14, and electrons move from the electron donor to the electron acceptor. Thus, a hole-electron pair (charge separation state) is formed. The generated electric charge is caused by an internal electric field, for example, when the work functions of the transparent electrode 12 and the counter electrode 13 are different, the electrons pass between the electron acceptors and the holes are electron donors due to the potential difference between the transparent electrode 12 and the counter electrode 13. The photocurrent is detected by passing through different electrodes to different electrodes. For example, when the work function of the transparent electrode 12 is larger than the work function of the counter electrode 13, electrons are transported to the transparent electrode 12 and holes are transported to the counter electrode 13. If the work function is reversed, electrons and holes are transported in the opposite direction. In addition, by applying a potential between the transparent electrode 12 and the counter electrode 13, the transport direction of electrons and holes can be controlled.
なお図1には記載していないが、正孔ブロック層、電子ブロック層、電子注入層、正孔注入層、あるいは平滑化層等の他の層を有していてもよい。 Although not shown in FIG. 1, other layers such as a hole blocking layer, an electron blocking layer, an electron injection layer, a hole injection layer, or a smoothing layer may be included.
また、さらなる太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、このような光電変換素子を積層した、タンデム型の構成(バルクヘテロジャンクション層を複数有する構成)であってもよい。図2は、タンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。タンデム型構成の場合、基板11上に、順次透明電極12、第1の光電変換部14′を積層した後、電荷再結合層15を積層した後、第2の光電変換部16、次いで対極13を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。第2の光電変換部16は、第1の光電変換部14′の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、タンデム型の有機光電変換素子では、複数の層の発電する電流量が異なった場合、最も発電電流の小さい素子に全電流量が制限されるため、同等の発電量をそれぞれのバルクヘテロジャンクション層を均一とするためには、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層であることが好ましい。異なるスペクトルの組み合わせの例としては、例えば、第1のバルクヘテロジャンクション層が1.9evまでの太陽光を吸収し、第2のバルクヘテロジャンクション層は1.3eVまでの太陽光を吸収するような組み合わせ、あるいは第1のバルクヘテロジャンクション層が1.6evまでの太陽光を吸収し、第2のバルクヘテロジャンクション層は1.1eVまでの太陽光を吸収するような組み合わせ、等である。 Further, for the purpose of further improving the sunlight utilization rate (photoelectric conversion efficiency), a tandem configuration (a configuration having a plurality of bulk heterojunction layers) in which such photoelectric conversion elements are stacked may be used. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a solar cell composed of an organic photoelectric conversion element including a tandem type bulk heterojunction layer. In the case of the tandem configuration, the transparent electrode 12 and the first photoelectric conversion unit 14 ′ are sequentially stacked on the substrate 11, the charge recombination layer 15 is stacked, the second photoelectric conversion unit 16, and then the counter electrode 13. By stacking layers, a tandem configuration can be obtained. The second photoelectric conversion unit 16 may be a layer that absorbs the same spectrum as the absorption spectrum of the first photoelectric conversion unit 14 ′ or may be a layer that absorbs a different spectrum. In the tandem organic photoelectric conversion element, When multiple layers generate different amounts of current, the total amount of current is limited to the element with the smallest generated current. Therefore, in order to make the same amount of generated power uniform in each bulk heterojunction layer, preferably different. A layer that absorbs the spectrum is preferable. Examples of different spectral combinations include, for example, a combination in which the first bulk heterojunction layer absorbs sunlight up to 1.9 ev and the second bulk heterojunction layer absorbs sunlight up to 1.3 eV, Or a combination in which the first bulk heterojunction layer absorbs sunlight up to 1.6 ev, the second bulk heterojunction layer absorbs sunlight up to 1.1 eV, and so on.
以下、これらの層に用いることができる材料について説明する。 Hereinafter, materials that can be used for these layers will be described.
〔n型半導体材料〕
本発明の有機光電変換素子は、対極と透明電極の間に、少なくとも1つ以上の前記一般式(1)で表される化合物を含有する有機層を有することが特徴である。
[N-type semiconductor materials]
The organic photoelectric conversion element of the present invention is characterized by having an organic layer containing at least one compound represented by the general formula (1) between the counter electrode and the transparent electrode.
一般式(1)において、A1は置換または無置換の5員または6員の芳香族環を表し、R1はアルキル基またはシクロアルキル基を表す。R2〜R3はそれぞれ独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基またはこれらが複数連結した置換基を表す。また、R2〜R3は互いに結合して環を形成してもよい。m、nは1〜3の整数を表す。また、これらの置換基が結合されている球状の構造はC60〜C540のフラーレン構造を表す。 In the general formula (1), A 1 represents a substituted or unsubstituted 5-membered or 6-membered aromatic ring, and R 1 represents an alkyl group or a cycloalkyl group. R 2 to R 3 are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, an amino group, an ether group, a thioether group, or a plurality thereof. Represents a linked substituent. R 2 to R 3 may be bonded to each other to form a ring. m and n represent an integer of 1 to 3. The spherical structure to which these substituents are bonded represents a C60 to C540 fullerene structure.
このように、アミノ基を置換する置換基が少なくともひとつはアルキル基、シクロアルキル基である化合物を用いることで、フラーレン誘導体の塩基性が向上し、正孔輸送層からの酸性成分を効果的に捕獲して金属電極の酸化及び有機光電変換素子の劣化を防ぐことができる。より好ましくは、R2もアルキル基またはシクロアルキル基であることであり、このようなジアルキルアミノ基、ジシクロアルキルアミノ基であると、より塩基性が高くなり好ましい。また、フラーレン誘導体のLUMO準位をより浅いものとすることができ、有機光電変換素子の開放電圧(Voc)をより高いものとすることができる。 In this way, by using a compound in which at least one substituent for substituting the amino group is an alkyl group or a cycloalkyl group, the basicity of the fullerene derivative is improved, and an acidic component from the hole transport layer is effectively removed. Capturing can prevent oxidation of the metal electrode and deterioration of the organic photoelectric conversion element. More preferably, R 2 is also an alkyl group or a cycloalkyl group, and such a dialkylamino group or a dicycloalkylamino group is preferred because the basicity becomes higher. Further, the LUMO level of the fullerene derivative can be made shallower, and the open-circuit voltage (Voc) of the organic photoelectric conversion element can be made higher.
一般式(1)においてAで表されるは置換または無置換の5員または6員の芳香族環としては、例えば、6員の芳香族環としてベンゼン、ピリジン、ピリミジン、ピリダジン、ピラジン、トリアジン、5員の含窒素複素芳香族環であるピロール、フラン、チオフェン、ピラゾール、イミダゾール、トリアゾール、テトラゾール、オキサゾール、チアゾール、オキサジアゾール、チアジアゾール、さらにはこれらの縮合環であるナフチル、キノリル、ベンズオキサゾリル、ベンズイミダゾリル、ベンズチアゾリル等が挙げられる。 As the substituted or unsubstituted 5-membered or 6-membered aromatic ring represented by A in the general formula (1), for example, as a 6-membered aromatic ring, benzene, pyridine, pyrimidine, pyridazine, pyrazine, triazine, 5-membered nitrogen-containing heteroaromatic rings such as pyrrole, furan, thiophene, pyrazole, imidazole, triazole, tetrazole, oxazole, thiazole, oxadiazole, thiadiazole, and their condensed rings naphthyl, quinolyl, benzoxazoli , Benzimidazolyl, benzthiazolyl and the like.
なおフラーレン母核としては、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、等が挙げられるが、光電変換効率の点からフラーレンC60及びC70が好ましく、さらに製造コストの観点からはフラーレンC60が好ましい。 Examples of the fullerene mother nucleus include fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, and the like. From the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, fullerene C60 and C70 are preferable, and production costs are further increased. From the above viewpoint, fullerene C60 is preferable.
一般式(1)において、置換基としてはアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基、ケトン基、エステル基、アミド基、及びこれらが複数連結した置換基、等を挙げることができる。 In the general formula (1), examples of the substituent include an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, an acyl group, an alkoxycarbonyl group, an amino group, an ether group, a thioether group, a ketone group, Examples thereof include an ester group, an amide group, and a substituent in which a plurality of these groups are linked.
アルキル基としては、好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜12、特に好ましくは炭素数1〜8であり、例えば、メチル、エチル、iso−プロピル、tert−ブチル、n−オクチル、n−デシル、n−ヘキサデシル等が挙げられる。 The alkyl group preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 8 carbon atoms. For example, methyl, ethyl, iso-propyl, tert-butyl, n-octyl , N-decyl, n-hexadecyl and the like.
アルケニル基としては、好ましくは炭素数2〜20、より好ましくは炭素数2〜12、特に好ましくは炭素数2〜8であり、例えば、ビニル、アリル、2−ブテニル、3−ペンテニル等が挙げられる。 The alkenyl group preferably has 2 to 20 carbon atoms, more preferably 2 to 12 carbon atoms, and particularly preferably 2 to 8 carbon atoms, and examples thereof include vinyl, allyl, 2-butenyl, and 3-pentenyl. .
アルキニル基としては、好ましくは炭素数2〜20、より好ましくは炭素数2〜12、特に好ましくは炭素数2〜8であり、例えば、プロパルギル、3−ペンテニル等が挙げられる。 The alkynyl group preferably has 2 to 20 carbon atoms, more preferably 2 to 12 carbon atoms, and particularly preferably 2 to 8 carbon atoms, and examples thereof include propargyl and 3-pentenyl.
シクロアルキル基としては、好ましくは炭素数4〜8であり、例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル等が挙げられる。 The cycloalkyl group preferably has 4 to 8 carbon atoms, and examples thereof include cyclopentyl and cyclohexyl.
アリール基としては、好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えば、フェニル、p−メチルフェニル、ナフチル等が挙げられる。 The aryl group preferably has 6 to 30 carbon atoms, more preferably 6 to 20 carbon atoms, and particularly preferably 6 to 12 carbon atoms, and examples thereof include phenyl, p-methylphenyl, and naphthyl.
ヘテロアリール基としては、好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜12であり、ヘテロ原子としては、例えば、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、具体的には、例えば、イミダゾリル、ピリジル、キノリル、フリル、ピペリジル、ベンズオキサゾリル、ベンズイミダゾリル、ベンズチアゾリル等が挙げられる。 The heteroaryl group preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms. Examples of the hetero atom include a nitrogen atom, an oxygen atom, and a sulfur atom, specifically, for example, imidazolyl, Examples include pyridyl, quinolyl, furyl, piperidyl, benzoxazolyl, benzimidazolyl, benzthiazolyl and the like.
アシル基としては、好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、アセチル、ベンゾイル、ホルミル、ピバロイル等が挙げられる。 The acyl group preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, and examples thereof include acetyl, benzoyl, formyl, and pivaloyl.
アルコキシカルボニル基としては、好ましくは炭素数2〜20、より好ましくは炭素数2〜16、特に好ましくは炭素数2〜12であり、例えばメトキシカルボニル、エトキシカルボニル等が挙げられる。 The alkoxycarbonyl group preferably has 2 to 20 carbon atoms, more preferably 2 to 16 carbon atoms, and particularly preferably 2 to 12 carbon atoms, and examples thereof include methoxycarbonyl and ethoxycarbonyl.
アミノ基としては、好ましくは炭素数0〜20、より好ましくは炭素数0〜10、特に好ましくは炭素数0〜6であり、例えばアミノ、メチルアミノ、ジメチルアミノ、ジエチルアミノ、ジベンジルアミノ等が挙げられる。 The amino group preferably has 0 to 20 carbon atoms, more preferably 0 to 10 carbon atoms, particularly preferably 0 to 6 carbon atoms, and examples thereof include amino, methylamino, dimethylamino, diethylamino, dibenzylamino and the like. It is done.
なお、これらの置換基をさらに置換できる置換基としては、
アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜12、特に好ましくは炭素数1〜8であり、例えば、メトキシ、エトキシ、ブトキシ等が挙げられる。)、
シクロアルキルオキシ基(好ましくは炭素数4〜8であり、例えば、シクロペンチルオキシ、シクロヘキシルオキシ等が挙げられる。)、
アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜20、より好ましくは炭素数6〜16、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えば、フェニルオキシ、2−ナフチルオキシ等が挙げられる。)、
アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素数7〜20、より好ましくは炭素数7〜16、特に好ましくは炭素数7〜10であり、例えば、フェニルオキシカルボニル等が挙げられる。)、
アシルオキシ基(好ましくは炭素数2〜20、より好ましくは炭素数2〜16、特に好ましくは炭素数2〜10であり、例えばアセトキシ、ベンゾイルオキシ等が挙げられる。)、
アシルアミノ基(好ましくは炭素数2〜20、より好ましくは炭素数2〜16、特に好ましくは炭素数2〜10であり、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等が挙げられる。)、
アルコキシカルボニルアミノ基(好ましくは炭素数2〜20、より好ましくは炭素数2〜16、特に好ましくは炭素数2〜12であり、例えば、メトキシカルボニルアミノ等が挙げられる。)、
アリールオキシカルボニルアミノ基(好ましくは炭素数7〜20、より好ましくは炭素数7〜16、特に好ましくは炭素数7〜12であり、例えば、フェニルオキシカルボニルアミノ等が挙げられる。)、
スルホニルアミノ基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、メタンスルホニルアミノ、ベンゼンスルホニルアミノ等が挙げられる。)、
スルファモイル基(好ましくは炭素数0〜20、より好ましくは炭素数0〜16、特に好ましくは炭素数0〜12であり、例えば、スルファモイル、メチルスルファモイル、ジメチルスルファモイル、フェニルスルファモイル等が挙げられる。)、
カルバモイル基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、カルバモイル、メチルカルバモイル、ジエチルカルバモイル、フェニルカルバモイル等が挙げられる。)、
アルキルチオ基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、メチルチオ、エチルチオ等が挙げられる。)、
アリールチオ基(好ましくは炭素数6〜20、より好ましくは炭素数6〜16、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えば、フェニルチオ等が挙げられる。)、
スルホニル基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、メシル、トシル等が挙げられる。)、
スルフィニル基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、メタンスルフィニル、ベンゼンスルフィニル等が挙げられる。)、
ウレイド基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、ウレイド、メチルウレイド、フェニルウレイド等が挙げられる。)、
リン酸アミド基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、ジエチルリン酸アミド、フェニルリン酸アミド等が挙げられる。)、ヒドロキシ基、メルカプト基、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、
アルキルシリル基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜16、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えば、トリメチルシリル、トリエチルシリル等が挙げられる。)、
トリアリールシリル基(好ましくは炭素数6〜24、より好ましくは炭素数12〜21、特に好ましくは炭素数15〜18であり、例えば、トリフェニルシリル等が挙げられる。)、
シアノ基、スルホ基、カルボキシル基、ニトロ基、ヒドロキサム酸基、スルフィノ基、ヒドラジノ基、イミノ基、等が挙げられる。これらの置換基はさらに置換されてもよい。
In addition, as a substituent that can further substitute these substituents,
An alkoxy group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms, particularly preferably 1 to 8 carbon atoms, and examples thereof include methoxy, ethoxy, butoxy and the like),
A cycloalkyloxy group (preferably having 4 to 8 carbon atoms, such as cyclopentyloxy, cyclohexyloxy and the like),
An aryloxy group (preferably having 6 to 20 carbon atoms, more preferably 6 to 16 carbon atoms, particularly preferably 6 to 12 carbon atoms, and examples thereof include phenyloxy and 2-naphthyloxy).
An aryloxycarbonyl group (preferably having 7 to 20 carbon atoms, more preferably 7 to 16 carbon atoms, particularly preferably 7 to 10 carbon atoms, and examples thereof include phenyloxycarbonyl).
An acyloxy group (preferably having 2 to 20 carbon atoms, more preferably 2 to 16 carbon atoms, particularly preferably 2 to 10 carbon atoms, and examples thereof include acetoxy and benzoyloxy);
An acylamino group (preferably having 2 to 20 carbon atoms, more preferably 2 to 16 carbon atoms, particularly preferably 2 to 10 carbon atoms, and examples thereof include acetylamino and benzoylamino);
An alkoxycarbonylamino group (preferably having 2 to 20 carbon atoms, more preferably 2 to 16 carbon atoms, particularly preferably 2 to 12 carbon atoms, and examples thereof include methoxycarbonylamino).
An aryloxycarbonylamino group (preferably having 7 to 20 carbon atoms, more preferably 7 to 16 carbon atoms, particularly preferably 7 to 12 carbon atoms, and examples thereof include phenyloxycarbonylamino).
A sulfonylamino group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, and examples thereof include methanesulfonylamino and benzenesulfonylamino).
Sulfamoyl group (preferably having 0 to 20 carbon atoms, more preferably 0 to 16 carbon atoms, particularly preferably 0 to 12 carbon atoms, such as sulfamoyl, methylsulfamoyl, dimethylsulfamoyl, phenylsulfamoyl, etc. ),
A carbamoyl group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, and examples thereof include carbamoyl, methylcarbamoyl, diethylcarbamoyl, and phenylcarbamoyl).
An alkylthio group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, and examples thereof include methylthio and ethylthio);
An arylthio group (preferably having 6 to 20 carbon atoms, more preferably 6 to 16 carbon atoms, particularly preferably 6 to 12 carbon atoms, and examples thereof include phenylthio).
A sulfonyl group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, and examples thereof include mesyl and tosyl).
A sulfinyl group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, such as methanesulfinyl, benzenesulfinyl, etc.),
A ureido group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, and examples thereof include ureido, methylureido, and phenylureido).
Phosphoric acid amide group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, and examples thereof include diethyl phosphoric acid amide and phenyl phosphoric acid amide). , Hydroxy group, mercapto group, halogen atom (for example, fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, iodine atom),
An alkylsilyl group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 16 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, and examples thereof include trimethylsilyl and triethylsilyl);
A triarylsilyl group (preferably having 6 to 24 carbon atoms, more preferably 12 to 21 carbon atoms, and particularly preferably 15 to 18 carbon atoms, and examples thereof include triphenylsilyl).
Examples include cyano group, sulfo group, carboxyl group, nitro group, hydroxamic acid group, sulfino group, hydrazino group, imino group, and the like. These substituents may be further substituted.
より好ましくは、前記一般式(1)で表される化合物が、前記一般式(2)または(3)で表される化合物である。 More preferably, the compound represented by the general formula (1) is a compound represented by the general formula (2) or (3).
一般式(2)または(3)において、A2は置換または無置換の5員または6員の芳香族環を表し、R4〜R7はそれぞれ独立に、水素原子または置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基、及びこれらが複数連結した置換基の何れかを表す。また、互いに結合して環を形成してもよい。nは1〜3の整数を表す。L1、L2は単結合、アルキレン基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基、シリレン基、ケトン基、ホスフィノ基、ホスホリル基及びこれらが複数連結した置換基から選ばれる2価の連結基を表す。また、これらの置換基が結合されている球状の構造はC60〜C540のフラーレン構造を表す。 In General Formula (2) or (3), A 2 represents a substituted or unsubstituted 5-membered or 6-membered aromatic ring, and R 4 to R 7 each independently represents a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted alkyl. Represents a group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, an amino group, an ether group, a thioether group, or a substituent in which a plurality of these groups are linked. Moreover, it may combine with each other to form a ring. n represents an integer of 1 to 3. L 1 and L 2 each represents a single bond, an alkylene group, an amino group, an ether group, a thioether group, a silylene group, a ketone group, a phosphino group, a phosphoryl group, or a divalent linking group selected from a substituent in which a plurality of these are linked. . The spherical structure to which these substituents are bonded represents a C60 to C540 fullerene structure.
このように、芳香族環A2とアミノ基の一部が環構造を形成していると、アルキルアミノ基であっても構造が比較的剛直な構造とすることができ、フラーレン誘導体のバルクヘテロジャンクション層内での配列性・パッキングが向上し、高い移動度を期待することができる。ひいては、曲線因子(FF)や短絡電流(Jsc)の高い有機光電変換素子が得られるようになる。このような観点から、前記一般式(2)または(3)で表される化合物のL1またはL2がアルキレン基である化合物が好ましい。 As described above, when the aromatic ring A 2 and a part of the amino group form a ring structure, even if it is an alkylamino group, the structure can be a relatively rigid structure, and the bulk heterojunction of the fullerene derivative can be obtained. The arrangement and packing in the layer are improved, and high mobility can be expected. As a result, an organic photoelectric conversion element having a high fill factor (FF) and short circuit current (Jsc) can be obtained. From such a viewpoint, a compound in which L 1 or L 2 of the compound represented by the general formula (2) or (3) is an alkylene group is preferable.
さらに好ましくは、前記一般式(1)で表される化合物が、前記一般式(4)で表される化合物である。 More preferably, the compound represented by the general formula (1) is a compound represented by the general formula (4).
一般式(4)において、Xは置換または無置換の窒素原子、酸素原子、硫黄原子、及びCR15=CR16−、−CR17=N−、−N=N−から選ばれる芳香族環を形成しうる連結基またはカルコゲン原子を表す。R8〜R17は、それぞれ独立に、水素原子、または、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アミノ基、エーテル基、チオエーテル基、ケトン基、エステル基、アミド基、またはこれらが複数連結した置換基を表す。nは1〜3の整数を表す。また、これらの置換基が結合されている球状の構造はC60〜C540のフラーレン構造を表す。 In general formula (4), X is a substituted or unsubstituted nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, and CR 15 = CR 16 -, - CR 17 = N -, - N = an aromatic ring selected from N- It represents a linking group or a chalcogen atom that can be formed. R 8 to R 17 are each independently a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group, heteroaryl group, amino group, ether group, thioether group, It represents a ketone group, an ester group, an amide group, or a substituent in which a plurality of these groups are linked. n represents an integer of 1 to 3. The spherical structure to which these substituents are bonded represents a C60 to C540 fullerene structure.
このように、フラーレンと結合する炭素原子を含む形で環構造を形成すると、芳香族環がフラーレンに対しておよそ垂直に立つ形の分子形状をとり、よりバルクヘテロジャンクション層内で配列性・パッキング性が向上して高い移動度を期待することができる。 In this way, when a ring structure is formed with carbon atoms bonded to fullerenes, the aromatic ring takes a molecular shape that stands substantially perpendicular to the fullerenes, and is more aligned and packing within the bulk heterojunction layer. Can be improved and high mobility can be expected.
より好ましくは、前記一般式(4)で表される化合物のXが−CR15=CR16−である(芳香族環がベンゼン環である)化合物である。 More preferably, it is a compound in which X of the compound represented by the general formula (4) is —CR 15 ═CR 16 — (the aromatic ring is a benzene ring).
また、このような配列性と溶解性とを両立するためには、R9がアルキル基であることが好ましい。 In order to achieve both such alignment and solubility, R 9 is preferably an alkyl group.
本発明に係る、前記一般式(1)〜(4)で表される化合物の具体例としては下記の化合物を挙げることができる。 Specific examples of the compounds represented by the general formulas (1) to (4) according to the present invention include the following compounds.
これらの化合物は、J.Org.Chem.,vol.60(1995),p532、またはJ.Med.Chem.,(1965)p566、前記非特許文献3、特許文献1等を参考に合成することができる。 These compounds are described in J. Org. Org. Chem. , Vol. 60 (1995), p532, or J.I. Med. Chem. , (1965) p566, Non-Patent Document 3, Patent Document 1 and the like.
なお、本発明のn型半導体材料に、結晶化の制御・相分離構造の制御・モルホロジーの制御等を目的として、公知のn型半導体材料を混合して用いることもできる。公知のn型半導体材料としては、例えば、フラーレン、オクタアザポルフィリン等、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む高分子化合物等を挙げることができる。 The n-type semiconductor material of the present invention can be used by mixing a known n-type semiconductor material for the purpose of controlling crystallization, controlling the phase separation structure, controlling the morphology, and the like. Known n-type semiconductor materials include, for example, fullerene, octaazaporphyrin and the like, p-type semiconductor perfluoro compounds (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.), naphthalene tetracarboxylic anhydride, naphthalene tetracarboxylic acid diimide, perylene. Examples thereof include aromatic carboxylic acid anhydrides such as tetracarboxylic acid anhydride and perylenetetracarboxylic acid diimide, and polymer compounds containing the imidized product thereof as a skeleton.
〔p型半導体材料〕
本発明のバルクへテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマーが挙げられるが、本発明のタンデム型有機光電変換素子には2種類以上のバルクへテロジャンクション層を有しているため、それぞれの層に適したp型半導体材料を使用することが好ましい。
[P-type semiconductor materials]
Examples of the p-type semiconductor material used in the bulk heterojunction layer of the present invention include various condensed polycyclic aromatic low-molecular compounds and conjugated polymers. The tandem organic photoelectric conversion element of the present invention includes two types. Since the bulk heterojunction layer described above is included, it is preferable to use a p-type semiconductor material suitable for each layer.
本発明のバルクへテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマーが挙げられる。 Examples of the p-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer of the present invention include various condensed polycyclic aromatic low molecular compounds and conjugated polymers.
縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、へプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。 Examples of the condensed polycyclic aromatic low molecular weight compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, thacumanthracene, bisanthene, zeslene. , Heptazethrene, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, etc., porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene ( BEDTTTTF) -perchloric acid complexes, and derivatives and precursors thereof.
また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号パンフレット、国際公開第03/28125号パンフレット、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004−107216号公報等に記載の置換基をもったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第2003/136964号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、J.Amer.Chem.Soc.,vol127.No14.4986、J.Amer.Chem.Soc.,vol.123、p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008)、No.9、p2706、等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物等が挙げられる。 Examples of the derivative having the above-mentioned condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A. A pentacene derivative having a substituent described in JP-A No. 2003-136964, a pentacene precursor described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and the like; Amer. Chem. Soc. , Vol127. No. 14.4986, J. MoI. Amer. Chem. Soc. , Vol. 123, p9482; Amer. Chem. Soc. , Vol. 130 (2008), no. 9, an acene compound substituted with a trialkylsilylethynyl group described in p2706, and the like.
共役系ポリマーとしては、例えば、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、WO2008000664に記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv.Mater.,2007,p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体、APPLIED PHYSICS LETTERS,vol.92,p033307(2008)に記載のPFDTBT、J.Am.Chem.Soc.,vol.131,p7792(2009)に記載のPTB1〜6等が挙げられるが、中でも本発明においては650nmよりも長波長まで吸収を有する低バンドギャップポリマーである、Adv.Mater.,vol.19(2007)p2295に記載のポリチオフェン−カルバゾール−ベンゾチアジアゾール共重合体(PCDTBT)、Nature Mat.,vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体が好ましい。 As the conjugated polymer, for example, polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, polysilane, polygermane, etc. Polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and oligomers thereof, or polythiophene having a polymerizable group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225, Nature Materia (200) vol. 5, p328, polythiophene-thienothiophene copolymer, polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO2008000664, Adv. Mater. , 2007, p4160, APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 92, p033307 (2008). Am. Chem. Soc. , Vol. 131, p7792 (2009). Among them, in the present invention, Adv., Which is a low band gap polymer having absorption up to a wavelength longer than 650 nm. Mater. , Vol. 19 (2007) p2295, polythiophene-carbazole-benzothiadiazole copolymer (PCDTBT), Nature Mat. , Vol. 6 (2007), p497, a polythiophene copolymer such as PCPDTBT is preferable.
〔バルクヘテロジャンクション層の形成方法〕
電子受容体と電子供与体とが混合されたバルクヘテロジャンクション層の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、前述の正孔と電子が電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法が好ましい。また塗布法は、製造速度にも優れている。
[Method of forming bulk heterojunction layer]
Examples of a method for forming a bulk heterojunction layer in which an electron acceptor and an electron donor are mixed include a vapor deposition method and a coating method (including a casting method and a spin coating method). Among these, the coating method is preferable in order to increase the area of the interface where charges and electrons are separated from each other as described above and to produce a device having high photoelectric conversion efficiency. The coating method is also excellent in production speed.
塗布後は残留溶媒及び水分、ガスの除去、及び半導体材料の結晶化による移動度向上・吸収長波化を引き起こすために加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集または結晶化が促進され、バルクヘテロジャンクション層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、バルクへテロジャンクション層のキャリア移動度が向上し、高い効率を得ることができるようになる。 After coating, it is preferable to perform heating in order to cause removal of residual solvent, moisture and gas, and improvement of mobility and absorption longwave due to crystallization of the semiconductor material. When annealing is performed at a predetermined temperature during the manufacturing process, a part of the particles is microscopically aggregated or crystallized, and the bulk heterojunction layer can have an appropriate phase separation structure. As a result, the carrier mobility of the bulk heterojunction layer is improved and high efficiency can be obtained.
光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)14は、電子受容体と電子供与体とが均一に混在された単一層で構成してもよいが、電子受容体と電子供与体との混合比を変えた複数層で構成してもよい。 The photoelectric conversion part (bulk heterojunction layer) 14 may be composed of a single layer in which the electron acceptor and the electron donor are uniformly mixed, but a plurality of the mixture ratios of the electron acceptor and the electron donor are changed. It may consist of layers.
次に、有機光電変換素子を構成する電極について説明する。 Next, the electrode which comprises an organic photoelectric conversion element is demonstrated.
有機光電変換素子は、バルクへテロジャンクション層で生成した正電荷と負電荷とが、それぞれp型有機半導体材料、及びn型有機半導体材料を経由して、それぞれ透明電極及び対極から取り出され、電池として機能するものである。それぞれの電極には、電極を通過するキャリアに適した特性が求められる。 In the organic photoelectric conversion element, positive and negative charges generated in the bulk heterojunction layer are respectively taken out from the transparent electrode and the counter electrode via the p-type organic semiconductor material and the n-type organic semiconductor material, respectively. It functions as. Each electrode is required to have characteristics suitable for carriers passing through the electrode.
〔対極〕
本発明において対極(陰極)とは、電子を取り出す電極のことを意味する。例えば、対極として用いる場合、導電材単独層であってもよいが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用してもよい。
[Counter electrode]
In the present invention, the counter electrode (cathode) means an electrode for taking out electrons. For example, when used as a counter electrode, the conductive material may be a single layer, but in addition to a conductive material, a resin that holds these may be used in combination.
対極材料としては、十分な導電性を有し、かつ前記n型半導体材料と接合したときにショットキーバリアを形成しない程度に近い仕事関数を有し、かつ劣化しないことが求められる。つまりバルクへテロジャンクション層に用いるn型半導体材料のLUMOよりも0〜0、3eV深い仕事関数を有する金属であることが好ましく、本発明の第2のバルクへテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料の好ましいLUMO準位が、−4.3〜−4.6eVであることから、−4.3〜−4.9eVの仕事関数であることが好ましい。他方で正孔を取り出す透明電極(陽極)より仕事関数が深くなることは好ましくなく、n型半導体材料より浅い仕事関数の金属では層間抵抗が発生することがあるため、実際には−4.4〜−4.8eVの仕事関数を有する金属であることが好ましい。したがって、アルミニウム、金、銀、銅、インジウム、あるいは酸化亜鉛、ITO、酸化チタン等の酸化物系の材料でも好ましい。より好ましくは、アルミニウム、銀、銅であり、さらに好ましくは銀である。 The counter electrode material is required to have sufficient conductivity, a work function close to the extent that no Schottky barrier is formed when bonded to the n-type semiconductor material, and no deterioration. That is, it is preferably a metal having a work function 0 to 0 to 3 eV deeper than the LUMO of the n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer, and the n-type semiconductor used for the second bulk heterojunction layer of the present invention. Since the preferable LUMO level of the material is −4.3 to −4.6 eV, the work function is preferably −4.3 to −4.9 eV. On the other hand, it is not preferable that the work function is deeper than that of the transparent electrode (anode) for extracting holes, and an interlayer resistance may be generated in a metal having a work function shallower than that of the n-type semiconductor material. A metal having a work function of ˜−4.8 eV is preferable. Therefore, aluminum, gold, silver, copper, indium, or oxide materials such as zinc oxide, ITO, and titanium oxide are also preferable. More preferably, they are aluminum, silver, and copper, More preferably, it is silver.
なおこれらの金属の仕事関数は、同様に紫外光電子分光法(UPS)を利用して測定することができる。 The work function of these metals can be similarly measured using ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS).
なお、必要に応じて合金にしても良く、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。対極はこれらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、膜厚は通常10nm〜5μm、好ましくは50〜200nmの範囲で選ばれる。 An alloy may be used if necessary. For example, a magnesium / silver mixture, a magnesium / aluminum mixture, a magnesium / indium mixture, an aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixture, a lithium / aluminum mixture, and aluminum are preferable. It is. The counter electrode can be produced by forming a thin film of these electrode materials by a method such as vapor deposition or sputtering. The film thickness is usually selected in the range of 10 nm to 5 μm, preferably 50 to 200 nm.
また、対極側を光透過性とする場合は、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、銀及び銀化合物等の対極に適した導電性材料を薄く1〜20nm程度の膜厚で作製した後、導電性光透過性材料の膜を設けることで、光透過性対極とすることができる。 Further, when the counter electrode side is made light transmissive, for example, a conductive material suitable for the counter electrode such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound is made thin with a film thickness of about 1 to 20 nm, and then conductive light is used. By providing a film of a transmissive material, a light transmissive counter electrode can be obtained.
〔透明電極〕
本発明において透明電極とは、正孔を取り出す電極のことを意味する。例えば、透明電極として用いる場合、好ましくは380〜800nmの光を透過する電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO2、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ用いることができる。
[Transparent electrode]
In the present invention, the transparent electrode means an electrode for extracting holes. For example, when used as a transparent electrode, it is preferably an electrode that transmits light of 380 to 800 nm. As the material, for example, transparent conductive metal oxides such as indium tin oxide (ITO), SnO 2 and ZnO, metal thin films such as gold, silver and platinum, metal nanowires and carbon nanotubes can be used.
また、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリアズレン、ポリイソチアナフテン、ポリカルバゾール、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレン及びポリナフタレンの各誘導体からなる群より選ばれる導電性高分子等も用いることができる。また、これらの導電性化合物を複数組み合わせて透明電極とすることもできる。 Also selected from the group consisting of derivatives of polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenylacetylene, polydiacetylene and polynaphthalene. Conductive polymers can also be used. A plurality of these conductive compounds can be combined to form a transparent electrode.
〔中間電極〕
また、タンデム構成の場合に必要となる中間電極の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、前記透明電極で用いたような材料(ITO、AZO、FTO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の非常に薄い金属層またはナノ粒子・ナノワイヤーを含有する層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等)を用いることができる。
[Intermediate electrode]
The intermediate electrode material required in the case of the tandem structure is preferably a layer using a compound having both transparency and conductivity, and the materials (ITO, AZO, FTO, etc.) used in the transparent electrode , Transparent metal oxides such as titanium oxide, very thin metal layers such as Ag, Al, Au, or layers containing nanoparticles / nanowires, conductive polymer materials such as PEDOT: PSS, polyaniline, etc.) Can do.
なお前述した正孔輸送層と電子輸送層の中には、適切に組み合わせて積層することで中間電極(電荷再結合層)として働く組み合わせもあり、このような構成とすると1層形成する工程を省くことができ好ましい。 In addition, in the hole transport layer and the electron transport layer described above, there is also a combination that works as an intermediate electrode (charge recombination layer) by appropriately combining and laminating, and with such a configuration, the process of forming one layer This is preferable because it can be omitted.
次に、電極及びバルクへテロジャンクション層以外を構成する材料について述べる。 Next, materials constituting components other than the electrode and the bulk heterojunction layer will be described.
〔正孔輸送層・電子ブロック層〕
本発明の有機光電変換素子10は、バルクへテロジャンクション層と透明電極との中間には正孔輸送層17を、バルクへテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
[Hole Transport Layer / Electron Blocking Layer]
In the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention, a hole transport layer 17 is provided between the bulk heterojunction layer and the transparent electrode, and charges generated in the bulk heterojunction layer can be taken out more efficiently. Therefore, it is preferable to have these layers.
これらの層を構成する材料としては、例えば、正孔輸送層17としては、スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP等のPEDOT、ポリアニリン及びそのドープ材料、国際公開第06/019270号パンフレット等に記載のシアン化合物、等を用いることができる。なお、バルクへテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料のLUMO準位よりも浅いLUMO準位を有する正孔輸送層には、バルクへテロジャンクション層で生成した電子を透明電極側には流さないような整流効果を有する、電子ブロック機能が付与される。このような正孔輸送層は、電子ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する正孔輸送層を使用するほうが好ましい。このような材料としては、特開平5−271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。また、バルクへテロジャンクション層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。バルクヘテロジャンクション層を形成する前に、下層に塗布膜を形成すると塗布面をレベリングする効果があり、リーク等の影響が低減するため好ましい。 As a material constituting these layers, for example, as the hole transport layer 17, PEDOT such as trade name BaytronP, polyaniline and its doping material, manufactured by Stark Vitec Co., Ltd., described in WO 06/019270, etc. Cyanide compounds of the above can be used. Note that electrons generated in the bulk heterojunction layer do not flow to the transparent electrode side in the hole transport layer having a LUMO level shallower than the LUMO level of the n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer. An electronic block function having such a rectifying effect is provided. Such a hole transport layer is also called an electron block layer, and it is preferable to use a hole transport layer having such a function. As such a material, a triarylamine compound described in JP-A-5-271166 or a metal oxide such as molybdenum oxide, nickel oxide, or tungsten oxide can be used. Moreover, the layer which consists of a p-type semiconductor material single-piece | unit used for the bulk heterojunction layer can also be used. The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method. Forming the coating film in the lower layer before forming the bulk heterojunction layer is preferable because it has the effect of leveling the coating surface and reduces the influence of leakage and the like.
〔電子輸送層・正孔ブロック層・バッファ層〕
本発明の有機光電変換素子10は、バルクへテロジャンクション層と対極との中間には電子輸送層18を形成することで、バルクへテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
[Electron transport layer, hole blocking layer, buffer layer]
In the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention, an electron transport layer 18 is formed between the bulk heterojunction layer and the counter electrode, so that charges generated in the bulk heterojunction layer can be taken out more efficiently. Therefore, it is preferable to have these layers.
また電子輸送層18としては、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)を用いることができるが、同様に、バルクへテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、バルクへテロジャンクション層で生成した正孔を対極側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。このような電子輸送層は、正孔ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する電子輸送層を使用するほうが好ましい。このような材料としては、バソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型半導体材料、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物、バルクへテロジャンクション層に用いたn型半導体材料単体からなる層等を用いることもできる。 As the electron transport layer 18, octaazaporphyrin, a p-type semiconductor perfluoro compound (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.) can be used. Similarly, a p-type semiconductor used for a bulk heterojunction layer. The electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level of the material is provided with a hole blocking function having a rectifying effect that prevents holes generated in the bulk heterojunction layer from flowing to the counter electrode side. The Such an electron transport layer is also called a hole blocking layer, and it is preferable to use an electron transport layer having such a function. Examples of such materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type semiconductor materials such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, and titanium oxide. An n-type inorganic oxide such as zinc oxide or gallium oxide, a layer made of a single n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer, or the like can also be used.
また、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属化合物等を用いることができる。 Alternatively, an alkali metal compound such as lithium fluoride, sodium fluoride, cesium fluoride, or the like can be used.
これらの中でも、さらに有機半導体分子をドープし、前記金属電極(陰極)との電気的接合を改善する機能も有する、アルカリ金属化合物を用いることが好ましい。アルカリ金属化合物層の場合には、特にバッファ層と言うこともある。 Among these, it is preferable to use an alkali metal compound that has a function of further doping an organic semiconductor molecule and improving electrical junction with the metal electrode (cathode). In the case of an alkali metal compound layer, it may be called a buffer layer.
〔その他の層〕
エネルギー変換効率の向上や、素子寿命の向上を目的に、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。中間層の例としては、正孔ブロック層、電子ブロック層、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層等を挙げることができる。
[Other layers]
For the purpose of improving energy conversion efficiency and improving the lifetime of the element, a structure having various intermediate layers in the element may be employed. Examples of the intermediate layer include a hole block layer, an electron block layer, a hole injection layer, an electron injection layer, an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, and a wavelength conversion layer.
〔基板〕
基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即ちこの光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜800nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。中でも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度及びコストの点から、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリカーボネートフィルムであることが好ましく、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルムであることがより好ましい。
〔substrate〕
When light that is photoelectrically converted enters from the substrate side, the substrate is preferably a member that can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, a member that is transparent to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate and the like are preferably mentioned, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of light weight and flexibility. There is no restriction | limiting in particular in the transparent resin film which can be preferably used as a transparent substrate by this invention, The material, a shape, a structure, thickness, etc. can be suitably selected from well-known things. For example, polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN) modified polyester, polyethylene (PE) resin film, polypropylene (PP) resin film, polystyrene resin film, polyolefin resins such as cyclic olefin resin Film, vinyl resin film such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyether ether ketone (PEEK) resin film, polysulfone (PSF) resin film, polyether sulfone (PES) resin film, polycarbonate (PC) resin film, A polyamide resin film, a polyimide resin film, an acrylic resin film, a triacetyl cellulose (TAC) resin film, and the like can be given. If the resin film transmittance of 80% or more at ~800nm), can be preferably applied to a transparent resin film according to the present invention. Among these, from the viewpoint of transparency, heat resistance, ease of handling, strength and cost, it is preferably a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, a biaxially stretched polyethylene naphthalate film, a polyethersulfone film, or a polycarbonate film, and biaxially stretched. More preferred are polyethylene terephthalate films and biaxially stretched polyethylene naphthalate films.
本発明に用いられる透明基板には、塗布液の濡れ性や接着性を確保するために、表面処理を施すことや易接着層を設けることができる。表面処理や易接着層については従来公知の技術を使用できる。例えば、表面処理としては、コロナ放電処理、火炎処理、紫外線処理、高周波処理、グロー放電処理、活性プラズマ処理、レーザー処理等の表面活性化処理を挙げることができる。また、易接着層としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ビニル系共重合体、ブタジエン系共重合体、アクリル系共重合体、ビニリデン系共重合体、エポキシ系共重合体等を挙げることができる。 The transparent substrate used in the present invention can be subjected to a surface treatment or an easy adhesion layer in order to ensure the wettability and adhesiveness of the coating solution. A conventionally well-known technique can be used about a surface treatment or an easily bonding layer. For example, the surface treatment includes surface activation treatment such as corona discharge treatment, flame treatment, ultraviolet treatment, high frequency treatment, glow discharge treatment, active plasma treatment, and laser treatment. Examples of the easy adhesion layer include polyester, polyamide, polyurethane, vinyl copolymer, butadiene copolymer, acrylic copolymer, vinylidene copolymer, and epoxy copolymer.
また、酸素及び水蒸気の透過を抑制する目的で、透明基板にはバリアコート層が予め形成されていてもよい。 In order to suppress permeation of oxygen and water vapor, a barrier coat layer may be formed in advance on the transparent substrate.
〔光学機能層〕
本発明の有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していてよい。光学機能層としては、例えば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、対極で反射した光を散乱させて再度バルクへテロジャンクション層に入射させることができるような光拡散層等を設けてもよい。
(Optical function layer)
The organic photoelectric conversion element of the present invention may have various optical functional layers for the purpose of more efficient reception of sunlight. As the optical functional layer, for example, an antireflection film, a condensing layer such as a microlens array, a light diffusion layer that can scatter the light reflected by the counter electrode and enter the bulk heterojunction layer again, etc. May be.
反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57〜1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。屈折率を調整する方法としては、酸化スズゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダー樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。 Various known antireflection layers can be provided as the antireflection layer. For example, when the transparent resin film is a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, the refractive index of the easy adhesion layer adjacent to the film is 1.57. It is more preferable to set it to ˜1.63 because the interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer can be reduced and the transmittance can be improved. The method for adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin. The easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.
集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。 As the condensing layer, for example, it is processed so as to provide a structure on the microlens array on the sunlight receiving side of the support substrate, or the amount of light received from a specific direction is increased by combining with a so-called condensing sheet. Conversely, the incident angle dependency of sunlight can be reduced.
マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10〜100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。 As an example of the microlens array, quadrangular pyramids having a side of 30 μm and an apex angle of 90 degrees are two-dimensionally arranged on the light extraction side of the substrate. One side is preferably 10 to 100 μm. If it becomes smaller than this, the effect of diffraction will generate | occur | produce and color, and if too large, thickness will become thick and is not preferable.
また光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物等のナノ粒子・ナノワイヤー等を無色透明なポリマーに分散した層等を挙げることができる。 Examples of the light scattering layer include various antiglare layers, layers in which nanoparticles or nanowires such as metals or various inorganic oxides are dispersed in a colorless and transparent polymer, and the like.
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
実施例1
バルクへテロジャンクション層のp型材料としては、前記非特許文献1及びMacromolecules 2007、40、1981を参考として、900nm程度まで吸収を有する低バンドギャップポリマー、PCPDTBTを合成して使用した。またn型材料としては、PCBM(フロンティアカーボン社より購入)、TPA−PCBM(非特許文献3に従って合成)、及び本発明のフラーレン誘導体を使用した。
Example 1
As a p-type material for the bulk heterojunction layer, a low bandgap polymer having absorption up to about 900 nm, PCPDTBT, was synthesized and used with reference to Non-Patent Document 1 and Macromolecules 2007, 40, 1981. As the n-type material, PCBM (purchased from Frontier Carbon), TPA-PCBM (synthesized according to Non-Patent Document 3), and the fullerene derivative of the present invention were used.
〔有機光電変換素子1の作製〕
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を140nm堆積したものを、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用いて2mm幅にパターニングして、透明電極を形成した。
[Production of Organic Photoelectric Conversion Element 1]
A transparent electrode was formed by patterning an indium tin oxide (ITO) transparent conductive film having a thickness of 140 nm on a glass substrate to a width of 2 mm using a normal photolithography technique and hydrochloric acid etching.
パターン形成した透明電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。この透明基板上に、導電性高分子であるBaytron P4083(スタルクヴィテック製)を60nmの膜厚でスピンコートした後、140℃で大気中10分間加熱乾燥した。 The patterned transparent electrode was washed in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning. On this transparent substrate, Baytron P4083 (manufactured by Starck Vitec), which is a conductive polymer, was spin-coated with a film thickness of 60 nm, and then heat-dried at 140 ° C. for 10 minutes in the air.
これ以降は基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で10分間加熱処理した。 After this, the substrate was brought into the glove box and operated under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere.
クロルベンゼンにp型半導体材料として、PCPDTBTを1.0質量%、n型半導体材料としてPCBM(フロンティアカーボン製、NANOM SPECTRA E100H)の2.0質量%、さらに1,8−オクタンジチオールの2.4質量%を溶解した液を作製し、0.45μmのフィルタでろ過しながら1200rpmで60秒のスピンコートを行い、室温で30分乾燥し、光電変換層を得た。 As a p-type semiconductor material, 1.0 mass% of PCPDTBT is added to chlorobenzene, 2.0 mass% of PCBM (manufactured by Frontier Carbon, NANOM SPECTRA E100H) as an n-type semiconductor material, and 2.4 of 1,8-octanedithiol. A liquid in which mass% was dissolved was prepared, spin-coated at 1200 rpm for 60 seconds while being filtered through a 0.45 μm filter, and dried at room temperature for 30 minutes to obtain a photoelectric conversion layer.
次に、上記有機層を成膜した基板を真空蒸着装置内に設置した。2mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、フッ化リチウムを0.5nm、Alを80nm蒸着した。最後に120℃で30分間の加熱を行い、比較の有機光電変換素子1を得た。なお、蒸着速度はいずれも2nm/秒で蒸着し、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the organic layer was formed was placed in a vacuum evaporation apparatus. The element was set so that the shadow mask with a width of 2 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 10 −3 Pa or less, and then 0.5 nm of lithium fluoride and 80 nm of Al were evaporated. Finally, the heating for 30 minutes was performed at 120 degreeC, and the comparative organic photoelectric conversion element 1 was obtained. The vapor deposition rate was 2 nm / second for all, and the size was 2 mm square.
得られた有機光電変換素子1は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った。 The obtained organic photoelectric conversion element 1 was sealed using an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere.
〔有機光電変換素子2〜10の作製〕
上記有機光電変換素子1の作製において、PCBMを表1に記載した比較化合物、及び、本発明の例示化合物に変更した以外は、有機光電変換素子1と同様にして有機光電変換素子2〜10を得た。
[Preparation of organic photoelectric conversion elements 2 to 10]
In the production of the organic photoelectric conversion element 1, the organic photoelectric conversion elements 2 to 10 were prepared in the same manner as the organic photoelectric conversion element 1 except that PCBM was changed to the comparative compounds described in Table 1 and the exemplary compounds of the present invention. Obtained.
得られた有機光電変換素子2〜10は、上述した有機光電変換素子1と同様に、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂を用いて封止を行った。 The obtained organic photoelectric conversion elements 2 to 10 were sealed using an aluminum cap and a UV curable resin in a nitrogen atmosphere in the same manner as the organic photoelectric conversion element 1 described above.
〔有機光電変換素子の評価〕
(光電変換効率及び開放電圧Vocの評価)
上記作製した有機光電変換素子に、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cm2の強度の光を照射し、有効面積を4.0mm2にしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)及び開放電圧Voc(V)、曲線因子(フィルファクター)FFを、同素子上に形成した4箇所の受光部をそれぞれ測定し、平均値を求めた。また、Jsc、Voc、FFから、式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求めた。
[Evaluation of organic photoelectric conversion elements]
(Evaluation of photoelectric conversion efficiency and open circuit voltage Voc)
The organic photoelectric conversion device prepared above, was irradiated with light having an intensity of 100 mW / cm 2 solar simulator (AM1.5G filter), a superposed mask in which the effective area 4.0 mm 2 on the light receiving portion, the short circuit current density Jsc Four light receiving portions formed on the same element were measured for (mA / cm 2 ), open circuit voltage Voc (V), and fill factor (fill factor) FF, and average values were obtained. Further, energy conversion efficiency η (%) was obtained from Jsc, Voc, and FF according to Equation 1.
式1 Jsc(mA/cm2)×Voc(V)×FF=η(%)
(耐久性LT80の測定)
上記作製した有機光電変換素子を、65℃85%RHの恒温槽に保管し、10時間ごとに室温に戻して光電変換効率を測定し、初期の光電変換効率の80%の光電変換効率となった時間をLT80とし、耐久性評価の目安とした。
Formula 1 Jsc (mA / cm 2 ) × Voc (V) × FF = η (%)
(Measurement of durability LT80)
The produced organic photoelectric conversion element is stored in a constant temperature bath at 65 ° C. and 85% RH, returned to room temperature every 10 hours, and measured for photoelectric conversion efficiency. The photoelectric conversion efficiency is 80% of the initial photoelectric conversion efficiency. The measured time was LT80, which was used as a standard for durability evaluation.
評価の結果を表1に示す。 The evaluation results are shown in Table 1.
表1から、本発明に係るフラーレン誘導体を用いた本発明の有機光電変換素子は、比較例に較べ、高い耐久性を有し、開放電圧が高く、光電変換効率も高い有機光電変換素子であることが分かる。 From Table 1, the organic photoelectric conversion element of the present invention using the fullerene derivative according to the present invention is an organic photoelectric conversion element having higher durability, higher open-circuit voltage, and higher photoelectric conversion efficiency than the comparative example. I understand that.
10 バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子
11 基板
12 透明電極(陽極)
13 対極(陰極)
14 光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)
14′ 第1の光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)
15 電荷再結合層
16 第2の光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)
17 正孔輸送層
18 電子輸送層
10 Bulk heterojunction organic photoelectric conversion element 11 Substrate 12 Transparent electrode (anode)
13 Counter electrode (cathode)
14 Photoelectric conversion part (bulk heterojunction layer)
14 '1st photoelectric conversion part (bulk heterojunction layer)
15 Charge recombination layer 16 Second photoelectric conversion part (bulk heterojunction layer)
17 Hole transport layer 18 Electron transport layer
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