JP2012241099A - Conjugated polymer, electron-releasing organic material employing the same, material for photovoltaic element and photovoltaic element - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換効率の高い光起電力素子を提供すること。
【解決手段】特定の構造を有する共役系重合体を含む光起電力素子用材料。
【選択図】なしA photovoltaic device having high photoelectric conversion efficiency is provided.
A photovoltaic device material comprising a conjugated polymer having a specific structure.
[Selection figure] None
Description
本発明は、共役系重合体、これを用いた電子供与性有機材料、光起電力素子用材料および光起電力素子に関する。 The present invention relates to a conjugated polymer, an electron-donating organic material, a photovoltaic device material and a photovoltaic device using the conjugated polymer.
太陽電池は環境に優しい電気エネルギー源として、現在深刻さを増すエネルギー問題に対して有力なエネルギー源と注目されている。現在、太陽電池の光起電力素子の半導体素材としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体などの無機物が使用されている。しかし、無機半導体を用いて製造される太陽電池は、火力発電や原子力発電などの発電方式と比べてコストが高いために、一般家庭に広く普及するには至っていない。コスト高の要因は主として、真空かつ高温下で半導体薄膜を製造するプロセスにある。そこで、製造プロセスの簡略化が期待される半導体素材として、共役系重合体や有機結晶などの有機半導体や有機色素を用いた有機太陽電池が検討されている。 Solar cells are attracting attention as an environmentally friendly electrical energy source and an influential energy source for increasing energy problems. Currently, inorganic materials such as single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, and compound semiconductors are used as semiconductor materials for photovoltaic elements of solar cells. However, solar cells manufactured using inorganic semiconductors have not been widely used in ordinary households because of high costs compared with power generation methods such as thermal power generation and nuclear power generation. The high cost factor is mainly in the process of manufacturing a semiconductor thin film under vacuum and high temperature. Therefore, organic solar cells using organic semiconductors and organic dyes such as conjugated polymers and organic crystals are being studied as semiconductor materials expected to simplify the manufacturing process.
しかし、共役系重合体などを用いた有機太陽電池は、従来の無機半導体を用いた太陽電池と比べて光電変換効率が低いことが最大の課題であり、まだ実用化には至っていない。従来の共役系重合体を用いた有機太陽電池の光電変換効率が低いのは、主として、太陽光の吸収効率が低いことや、太陽光によって生成された電子と正孔が分離しにくいエキシトンという束縛状態が形成されることと、キャリア(電子、正孔)を捕獲するトラップが形成されやすいため生成したキャリアがトラップに捕獲されやすく、キャリアの移動度が遅いことなどによる。 However, an organic solar cell using a conjugated polymer or the like has the biggest problem that the photoelectric conversion efficiency is lower than that of a conventional solar cell using an inorganic semiconductor, and has not yet been put into practical use. The photoelectric conversion efficiency of organic solar cells using conventional conjugated polymers is mainly due to the low solar absorption efficiency and the excitons that are difficult to separate the electrons and holes generated by sunlight. This is because a state is formed and a trap for trapping carriers (electrons and holes) is easily formed, so that the generated carriers are easily trapped in the trap and the mobility of carriers is slow.
これまでの有機半導体による光電変換素子は、現在のところ一般的に次のような素子構成に分類することができる。電子供与性有機材料(p型有機半導体)と仕事関数の小さい金属を接合させるショットキー型、電子受容性有機材料(n型有機半導体)と電子供与性有機材料(p型有機半導体)を接合させるヘテロ接合型などである。これらの素子は、接合部の有機層(数分子層程度)のみが光電流生成に寄与するため光電変換効率が低く、その向上が課題となっている。 Conventional photoelectric conversion elements using organic semiconductors can be generally classified into the following element configurations at present. A Schottky type that joins an electron-donating organic material (p-type organic semiconductor) and a metal having a low work function, and an electron-accepting organic material (n-type organic semiconductor) and an electron-donating organic material (p-type organic semiconductor). Heterojunction type. In these elements, only the organic layer (about several molecular layers) at the junction contributes to the photocurrent generation, so that the photoelectric conversion efficiency is low, and its improvement is a problem.
光電変換効率向上の一つの方法として、電子受容性有機材料(n型有機半導体)と電子供与性有機材料(p型有機半導体)を混合し、光電変換に寄与する接合面を増加させたバルクヘテロ接合型(例えば、非特許文献1参照)がある。なかでも、電子供与性有機材料(p型有機半導体)として共役系重合体を用い、電子受容性有機材料としてn型の半導体特性をもつ導電性高分子のほかPCBMなどのC60誘導体を用いた光電変換材料が報告されている(例えば、非特許文献2参照)。 As a method for improving photoelectric conversion efficiency, a bulk heterojunction in which an electron-accepting organic material (n-type organic semiconductor) and an electron-donating organic material (p-type organic semiconductor) are mixed to increase the bonding surface contributing to photoelectric conversion There is a type (for example, see Non-Patent Document 1). Among them, the conjugated polymer used as the electron donating organic material (p-type organic semiconductor), was used C 60 derivatives such other PCBM conductive polymer having semiconductor properties of n-type as the electron accepting organic material A photoelectric conversion material has been reported (for example, see Non-Patent Document 2).
また、太陽光スペクトルの広い範囲にわたる放射エネルギーを効率よく吸収させるために、主鎖に電子供与性基と電子吸引性基を導入し、バンドギャップを狭めた有機半導体による光電変換材料が報告されている(例えば、非特許文献3〜6参照)。しかしながら、十分な光電変換効率は得られていなかった。
In addition, in order to efficiently absorb radiant energy over a wide range of the solar spectrum, photoelectric conversion materials using organic semiconductors with an electron-donating group and an electron-withdrawing group introduced into the main chain to narrow the band gap have been reported. (For example, see Non-Patent
上述のように、従来の有機太陽電池はいずれも光電変換効率が低いことが課題であった。本発明は光電変換効率の高い光起電力素子を提供することを目的とする。 As described above, all of the conventional organic solar cells have a problem of low photoelectric conversion efficiency. An object of this invention is to provide a photovoltaic device with high photoelectric conversion efficiency.
すなわち本発明は、下記一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体、これを用いた電子供与性有機材料、光起電力素子用材料および光起電力素子である。 That is, the present invention is a conjugated polymer having a structure represented by the following general formula (1), an electron donating organic material, a photovoltaic element material and a photovoltaic element using the conjugated polymer.
(R1、R2は同じでも異なっていてもよく、水素、重水素、アルキル基、アルコキシ基、エステル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲンの中から選ばれる。R3、R4は同じでも異なっていてもよく、炭素数が6個以上のアルキル基である。nは5以上1000以下の範囲を表す。Aは下記一般式(2)のいずれかで表される構造の中から選ばれる。) (R 1 and R 2 may be the same or different and are selected from hydrogen, deuterium, alkyl group, alkoxy group, ester group, aryl group, heteroaryl group, and halogen. R 3 and R 4 are the same. However, it may be different, and is an alkyl group having 6 or more carbon atoms, n represents a range of 5 or more and 1000 or less, and A is selected from structures represented by any one of the following general formula (2) )
(R5〜R23は同じでも異なっていてもよく、水素、重水素、アルキル基、アルコキシ基、エステル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲンの中から選ばれる。) (R 5 to R 23 may be the same or different, and are selected from hydrogen, deuterium, alkyl groups, alkoxy groups, ester groups, aryl groups, heteroaryl groups, and halogens.)
本発明によれば、光電変換効率の高い光起電力素子を提供することができる。 According to the present invention, a photovoltaic device with high photoelectric conversion efficiency can be provided.
本発明の共役系重合体は、下記一般式(1)で表される構造を有することを特徴とする。 The conjugated polymer of the present invention has a structure represented by the following general formula (1).
上記一般式(1)中、R1、R2は同じでも異なっていてもよく、水素、重水素、アルキル基、アルコキシ基、エステル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲンの中から選ばれる。R3、R4は同じでも異なっていてもよく、炭素数が6個以上のアルキル基である。nは5以上1000以下の範囲を表す。Aは下記一般式(2)のいずれかで表される構造の中から選ばれる。 In the general formula (1), R 1 and R 2 may be the same or different and are selected from hydrogen, deuterium, alkyl group, alkoxy group, ester group, aryl group, heteroaryl group, and halogen. R 3 and R 4 may be the same or different and are alkyl groups having 6 or more carbon atoms. n represents the range of 5 or more and 1000 or less. A is selected from structures represented by any one of the following general formula (2).
ここでアルキル基とは、例えば、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、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基のような飽和脂肪族炭化水素基であり、直鎖状であっても分岐状であっても環状であってもよく、無置換でも置換されていてもかまわない。耐熱性の観点から、アルキル基の炭素数は30個以下が好ましく、20個以下がさらに好ましい。置換される場合の置換基の例としては、下記アルコキシ基、エステル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲンが挙げられる。 Here, the alkyl group is, for example, a saturated aliphatic group such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group. The hydrocarbon group may be linear, branched, or cyclic, and may be unsubstituted or substituted. From the viewpoint of heat resistance, the alkyl group preferably has 30 or less carbon atoms, more preferably 20 or less. Examples of the substituent when substituted include the following alkoxy groups, ester groups, aryl groups, heteroaryl groups, and halogens.
また、アルコキシ基とは、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基などのエーテル結合を介した脂肪族炭化水素基を示し、脂肪族炭化水素基は無置換でも置換されていてもかまわない。耐熱性の観点から、アルコキシ基の炭素数は30個以下が好ましく、20個以下がさらに好ましい。置換される場合の置換基の例としては、下記アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲンが挙げられる。 The alkoxy group refers to, for example, an aliphatic hydrocarbon group via an ether bond such as a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, or a butoxy group, and the aliphatic hydrocarbon group may be unsubstituted or substituted. Absent. From the viewpoint of heat resistance, the alkoxy group preferably has 30 or less carbon atoms, more preferably 20 or less. Examples of the substituent when substituted include the following aryl groups, heteroaryl groups, and halogens.
また、エステル基とは、例えば、メチルエステル基、エチルエステル基、ブチルエステル基、フェニルエステル基などのエステル結合を介した脂肪族炭化水素基または芳香族炭化水素基を示す。 The ester group refers to, for example, an aliphatic hydrocarbon group or an aromatic hydrocarbon group via an ester bond such as a methyl ester group, an ethyl ester group, a butyl ester group, or a phenyl ester group.
また、アリール基とは、例えば、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、フェナントリル基、アントリル基、ターフェニル基、ピレニル基、フルオレニル基、ペリレニル基などの芳香族炭化水素基を示し、これは無置換でも置換されていてもかまわない。アリール基の炭素数は、加工性の観点から6個以上30個以下が好ましい。置換される場合の置換基の例としては、上記アルキル基、アルコキシ基、下記ヘテロアリール基、ハロゲンが挙げられる。 The aryl group represents, for example, an aromatic hydrocarbon group such as a phenyl group, a naphthyl group, a biphenyl group, a phenanthryl group, an anthryl group, a terphenyl group, a pyrenyl group, a fluorenyl group, and a perylenyl group, which is unsubstituted. But it can be replaced. The number of carbon atoms of the aryl group is preferably 6 or more and 30 or less from the viewpoint of processability. Examples of the substituent when substituted include the above alkyl group, alkoxy group, the following heteroaryl group, and halogen.
また、ヘテロアリール基とは、例えば、チエニル基、チエノチエニル基、フリル基、ピロリル基、イミダゾリル基、ピラゾリル基、オキサゾリル基、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、キノリニル基、イソキノリル基、キノキサリル基、アクリジニル基、インドリル基、カルバゾリル基、ベンゾフラン基、ジベンゾフラン基、ベンゾチオフェン基、ジベンゾチオフェン基、ベンゾジチオフェン基、シロール基、ベンゾシロール基、ジベンゾシロール基などの炭素以外の原子を有する複素芳香環基を示し、これは無置換でも置換されていてもかまわない。置換される場合の置換基の例としては、上記アルキル基、アルコキシ基、アリール基、下記ハロゲンが挙げられる。 The heteroaryl group is, for example, thienyl group, thienothienyl group, furyl group, pyrrolyl group, imidazolyl group, pyrazolyl group, oxazolyl group, pyridyl group, pyrazyl group, pyrimidyl group, quinolinyl group, isoquinolyl group, quinoxalyl group, acridinyl A heteroaromatic group having an atom other than carbon, such as a group, an indolyl group, a carbazolyl group, a benzofuran group, a dibenzofuran group, a benzothiophene group, a dibenzothiophene group, a benzodithiophene group, a silole group, a benzosilole group, or a dibenzosilole group This can be unsubstituted or substituted. Examples of the substituent in the case of substitution include the above alkyl group, alkoxy group, aryl group, and the following halogen.
また、ハロゲンはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素のいずれかである。また、nは重合度を示し、5以上1000以下の範囲である。重合度は重量平均分子量から求めることができる。重量平均分子量はGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)を用いて測定し、ポリスチレンの標準試料に換算して求めることができる。 Halogen is any one of fluorine, chlorine, bromine and iodine. N represents the degree of polymerization and is in the range of 5 or more and 1000 or less. The degree of polymerization can be determined from the weight average molecular weight. The weight average molecular weight can be determined by measuring using GPC (gel permeation chromatography) and converting to a polystyrene standard sample.
一般式(1)で表される共役系重合体は、光吸収特性やホール輸送能に優れるため、光起電力素子における電子供与性有機材料として好ましく用いることができる。 Since the conjugated polymer represented by the general formula (1) is excellent in light absorption characteristics and hole transportability, it can be preferably used as an electron donating organic material in a photovoltaic device.
光起電力素子の光電変換効率を高める手法として、電子受容性有機材料と電子供与性有機材料を混合することにより光電変換に寄与する接合面を増加させる、バルクヘテロ接合型光起電力素子が知られている。バルクヘテロ接合型光起電力素子では、電子とホールの通り道(キャリアパス)を形成するために、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料は、完全には相溶せずにナノレベルで相分離していることが好ましい。 A bulk heterojunction type photovoltaic device is known as a method for increasing the photoelectric conversion efficiency of a photovoltaic device, which increases the bonding surface contributing to photoelectric conversion by mixing an electron-accepting organic material and an electron-donating organic material. ing. In bulk heterojunction photovoltaic devices, the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material are not completely compatible with each other in order to form a path for electrons and holes (carrier path). It is preferable.
また、光起電力素子の光電変換効率は電子供与性有機材料の配向状態に大きく依存する。電子供与性有機材料のπ平面が光起電力素子基板に対して平行に配向していると、入射光を効率よく吸収できると同時に電子とホールを効率よく移動させることが可能となる。 Further, the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic element greatly depends on the orientation state of the electron donating organic material. When the π plane of the electron donating organic material is oriented parallel to the photovoltaic element substrate, it is possible to efficiently absorb incident light and at the same time move electrons and holes efficiently.
本発明における一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体は、上記のナノレベル相分離形成と理想的な配向状態の形成の両立を可能にするものである。一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体の主鎖構造は、R1〜R4を有するベンゾ[2,1−b:3,4−b’]ジチオフェン骨格と、一般式(2)で表される2価の連結基を有する。 The conjugated polymer having the structure represented by the general formula (1) in the present invention enables both the above-described nano-level phase separation formation and ideal alignment state formation. The main chain structure of the conjugated polymer having the structure represented by the general formula (1) includes a benzo [2,1-b: 3,4-b ′] dithiophene skeleton having R 1 to R 4 and a general formula It has a divalent linking group represented by (2).
1つ目の構成要素であるベンゾ[2,1−b:3,4−b’]ジチオフェン骨格は、平面性が高いためπ−πスタッキングによる凝集を起こしやすく、上述のバルクヘテロ接合に適した相分離構造を形成しやすいと考えられる。さらに、R3およびR4の位置に炭素数が6個以上のアルキル基を導入することにより、溶解性を確保しつつ、上述のナノレベル相分離形成と理想的な配向状態の形成を実現させることが可能となる。 The first component, the benzo [2,1-b: 3,4-b ′] dithiophene skeleton, has high planarity and thus easily causes aggregation due to π-π stacking, and is a phase suitable for the above-described bulk heterojunction. It is considered that a separation structure is easily formed. Further, by introducing an alkyl group having 6 or more carbon atoms at the positions of R 3 and R 4 , the above-mentioned nano-level phase separation formation and ideal orientation state formation can be realized while ensuring solubility. It becomes possible.
ここで、R3およびR4の位置に炭素数が6個以上のアルキル基を導入するとは、ジチオフェン骨格に直接結合させることであり、非特許文献4に記載のポリマー(比較例1)や非特許文献6に記載のポリマー(比較例3)のように、チオフェン骨格を介して炭素数が6個以上のアルキル基を導入しても、上記効果は得がたいものである。 Here, introduction of an alkyl group having 6 or more carbon atoms at the positions of R 3 and R 4 means that the alkyl group is directly bonded to the dithiophene skeleton, and the polymer described in Non-Patent Document 4 (Comparative Example 1) or non- Even if an alkyl group having 6 or more carbon atoms is introduced via a thiophene skeleton as in the polymer described in Patent Document 6 (Comparative Example 3), the above effect cannot be obtained.
2つ目の構成要素である一般式(2)で表される2価の連結基は電子吸引性骨格であり、バンドギャップを狭めて長波長側の光を効率よく吸収させることを可能とするものである。この一般式(2)で表される2価の連結基は、1つ目の構成要素であるベンゾ[2,1−b:3,4−b’]ジチオフェン骨格と直接結合させることにより、上述のナノレベル相分離形成と理想的な配向状態の形成を維持させることができる。 The divalent linking group represented by the general formula (2), which is the second component, is an electron-withdrawing skeleton, and can narrow the band gap and efficiently absorb light on the long wavelength side. Is. The divalent linking group represented by the general formula (2) is bonded directly to the benzo [2,1-b: 3,4-b ′] dithiophene skeleton which is the first component, thereby It is possible to maintain the formation of nano-level phase separation and ideal alignment.
ここで、非特許文献5に記載のポリマー(比較例2)や非特許文献6に記載のポリマー(比較例3)は、ジケトピロロピロールとベンゾチオフェンあるいはベンゾチアジアゾールとベンゾチオフェンがチオフェンを介して結合されており、直接結合させていないので、上記効果は得がたいものである。 Here, the polymer described in Non-Patent Document 5 (Comparative Example 2) and the polymer described in Non-Patent Document 6 (Comparative Example 3) are diketopyrrolopyrrole and benzothiophene or benzothiadiazole and benzothiophene via thiophene. The above effects are difficult to obtain because they are bonded and not directly bonded.
上記の一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体として、下記のような構造が挙げられる。なお、下記構造において、nは5以上1000以下の範囲である。 Examples of the conjugated polymer having the structure represented by the general formula (1) include the following structures. In the following structure, n is in the range of 5 to 1000.
なお、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体は、例えば、前記非特許文献4〜6に記載されている方法に類似した手法により合成することができる。 In addition, the conjugated polymer which has a structure represented by General formula (1) is compoundable by the method similar to the method described in the said nonpatent literature 4-6, for example.
本発明の電子供与性有機材料は、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体のみからなるものでもよいし、他の電子供与性有機材料を含んでもよい。他の電子供与性有機材料としては、例えばポリチオフェン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリ−p−フェニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体、ポリピロール系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリアセチレン系重合体、ポリチエニレンビニレン系重合体などの共役系重合体や、H2フタロシアニン(H2Pc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)等のフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジ(3−メチルフェニル)−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(TPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニル−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(NPD)等のトリアリールアミン誘導体、4,4’−ジ(カルバゾール−9−イル)ビフェニル(CBP)等のカルバゾール誘導体、オリゴチオフェン誘導体(ターチオフェン、クウォーターチオフェン、セキシチオフェン、オクチチオフェンなど)等の低分子有機化合物が挙げられる。 The electron donating organic material of the present invention may be composed only of a conjugated polymer having a structure represented by the general formula (1), or may contain other electron donating organic materials. Examples of other electron-donating organic materials include polythiophene polymers, poly-p-phenylene vinylene polymers, poly-p-phenylene polymers, polyfluorene polymers, polypyrrole polymers, polyaniline polymers. Conjugated polymers such as polyacetylene polymers, polythienylene vinylene polymers, phthalocyanine derivatives such as H 2 phthalocyanine (H 2 Pc), copper phthalocyanine (CuPc), zinc phthalocyanine (ZnPc), porphyrin derivatives, N , N′-diphenyl-N, N′-di (3-methylphenyl) -4,4′-diphenyl-1,1′-diamine (TPD), N, N′-dinaphthyl-N, N′-diphenyl- Triarylamine derivatives such as 4,4′-diphenyl-1,1′-diamine (NPD), 4,4′-di (carbazole-9) Yl) biphenyl (CBP) as an electroluminescent host carbazole derivatives such as, oligothiophene derivatives (terthiophene, quarter thiophene, sexithiophene include low molecular organic compound of octyl thiophene etc.) and the like.
一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体はp型半導体特性を示すため、光起電力素子用材料としてより高い光電変換効率を得るためには電子受容性有機材料(n型有機半導体)と組み合わせることが好ましい。 Since the conjugated polymer having the structure represented by the general formula (1) exhibits p-type semiconductor characteristics, an electron-accepting organic material (n-type) is required to obtain higher photoelectric conversion efficiency as a photovoltaic device material. It is preferable to combine with an organic semiconductor.
本発明で用いる電子受容性有機材料とは、n型半導体特性を示す有機材料であり、例えば1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド(NTCDA)、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド(PTCDA)、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシリックビスベンズイミダゾール(PTCBI)、N,N'−ジオクチル−3,4,9,10−ナフチルテトラカルボキシジイミド(PTCDI−C8H)、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール(PBD)、2,5−ジ(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾール(BND)等のオキサゾール誘導体、3−(4−ビフェニリル)−4−フェニル−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,2,4−トリアゾール(TAZ)等のトリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、ホスフィンオキサイド誘導体、フラーレン化合物(C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94を始めとする無置換のものがあげられる。 The electron-accepting organic material used in the present invention is an organic material exhibiting n-type semiconductor characteristics. For example, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTCDA), 3,4,9,10- Perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole (PTCBI), N, N′-dioctyl-3,4,9,10-naphthyltetracarboxydiimide (PTCDI) -C8H), 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole (PBD), 2,5-di (1-naphthyl) -1,3 , 4-oxadiazole (BND) and other oxazole derivatives, 3- (4-biphenylyl) -4-phenyl-5- (4-t- Triazole derivatives such as butylphenyl) -1,2,4-triazole (TAZ), phenanthroline derivatives, phosphine oxide derivatives, fullerene compounds (C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 82 , C 84 , C 90 , Examples thereof include unsubstituted ones such as C94.
また、[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステル([6,6]−PCBM)、[5,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステル([5,6]−PCBM)、[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドヘキシルエステル([6,6]−PCBH)、[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドドデシルエステル([6,6]−PCBD)、フェニル C71 ブチリックアシッドメチルエステル(PC70BM)、フェニル C85 ブチリックアシッドメチルエステル(PC84BM)など)、カーボンナノチューブ(CNT)、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体にシアノ基を導入した誘導体(CN−PPV)などが挙げられる。 [6,6] -phenyl C61 butyric acid methyl ester ([6,6] -PCBM), [5,6] -phenyl C61 butyric acid methyl ester ([5,6] -PCBM), [6 , 6] -phenyl C61 butyric acid hexyl ester ([6,6] -PCBH), [6,6] -phenyl C61 butyric acid dodecyl ester ([6,6] -PCBD), phenyl C71 butyric acid methyl Ester (PC 70 BM), phenyl C85 butyric acid methyl ester (PC 84 BM, etc.), carbon nanotube (CNT), poly-p-phenylene vinylene-based polymer derivative (CN-PPV), etc. Is mentioned.
中でも、フラーレン化合物は電荷分離速度と電子移動速度が速いため、好ましく用いられる。フラーレン化合物の中でも、C70誘導体(上記PC70BMなど)は光吸収特性に優れ、より高い光電変換効率を得られるため、より好ましい。 Among these, fullerene compounds are preferably used because of their high charge separation speed and electron transfer speed. Among the fullerene compounds, C 70 derivatives (such as the PC 70 BM) because excellent light absorption characteristics, it is possible to obtain a relatively high photoelectric conversion efficiency, more preferred.
本発明の光起電力素子用材料において、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の含有比率(重量分率)は特に限定されないが、電子供与性有機材料:電子受容性有機材料の重量分率が、1〜99:99〜1の範囲であることが好ましく、より好ましくは10〜90:90〜10の範囲であり、さらに好ましくは20〜60:80〜40の範囲である。 In the photovoltaic device material of the present invention, the content ratio (weight fraction) of the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material is not particularly limited. The rate is preferably in the range of 1 to 99:99 to 1, more preferably in the range of 10 to 90:90 to 10, still more preferably in the range of 20 to 60:80 to 40.
電子供与性有機材料と電子受容性有機材料は混合して用いることが好ましい。混合方法としては特に限定されるものではないが、所望の比率で溶媒に添加した後、加熱、撹拌、超音波照射などの方法を1種または複数種組み合わせて溶媒中に溶解させる方法が挙げられる。なお、後述するように、光起電力素子用材料が一層の有機半導体層を形成する場合は、上述の含有比率はその一層に含まれる電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の含有比率となり、有機半導体層が二層以上の積層構造である場合は、有機半導体層全体における電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の含有比率を意味する。 It is preferable to use a mixture of an electron-donating organic material and an electron-accepting organic material. Although it does not specifically limit as a mixing method, After adding to a solvent in a desired ratio, the method of making it melt | dissolve in a solvent combining 1 type or multiple types of methods, such as a heating, stirring, and ultrasonic irradiation, is mentioned. . As will be described later, when the photovoltaic element material forms a single organic semiconductor layer, the above-mentioned content ratio is the content ratio of the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material contained in the single layer. When the organic semiconductor layer has a laminated structure of two or more layers, it means the content ratio of the electron donating organic material and the electron accepting organic material in the whole organic semiconductor layer.
光電変換効率をより向上させるためには、キャリアのトラップとなるような不純物は極力除去することが好ましい。本発明では、前述の一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体や、電子受容性有機材料の不純物を除去する方法は特に限定されないが、カラムクロマトグラフィー法、再結晶法、昇華法、再沈殿法、ソクスレー抽出法、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)による分子量分画法、濾過法、イオン交換法、キレート法等を用いることができる。一般的に低分子有機材料の精製にはカラムクロマトグラフィー法、再結晶法、昇華法が好ましく用いられる。 In order to further improve the photoelectric conversion efficiency, it is preferable to remove impurities that can trap carriers as much as possible. In the present invention, the method for removing impurities from the conjugated polymer having the structure represented by the general formula (1) and the electron-accepting organic material is not particularly limited, but column chromatography, recrystallization, Sublimation method, reprecipitation method, Soxhlet extraction method, molecular weight fractionation method by GPC (gel permeation chromatography), filtration method, ion exchange method, chelate method and the like can be used. In general, a column chromatography method, a recrystallization method, and a sublimation method are preferably used for purification of a low molecular weight organic material.
他方、高分子量体の精製には、低分子量成分を除去する場合には再沈殿法やソクスレー抽出法、GPCによる分子量分画法が好ましく用いられ、金属成分を除去する場合には再沈殿法やキレート法、イオン交換法、カラムクロマトグラフィー法が好ましく用いられる。これらの方法のうち、複数を組み合わせてもよい。 On the other hand, for purification of high molecular weight compounds, reprecipitation method, Soxhlet extraction method, molecular weight fractionation method by GPC is preferably used when removing low molecular weight components, and reprecipitation method or the like when removing metal components. A chelate method, an ion exchange method, and a column chromatography method are preferably used. A plurality of these methods may be combined.
次に、本発明の光起電力素子について説明する。本発明の光起電力素子は、少なくとも正極と負極を有し、これらの間に本発明の光起電力素子用材料を含む。図1は本発明の光起電力素子の一例を示す模式図である。図1において符号1は基板、符号2は正極、符号3は本発明の光起電力素子用材料を含む有機半導体層、符号4は負極である。
Next, the photovoltaic element of the present invention will be described. The photovoltaic device of the present invention has at least a positive electrode and a negative electrode, and includes the photovoltaic device material of the present invention between them. FIG. 1 is a schematic view showing an example of the photovoltaic element of the present invention. In FIG. 1,
有機半導体層3は本発明の光起電力素子用材料を含む。すなわち、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料と、電子受容性有機材料を含む。これらの材料は混合されていても積層されていてもよいが、混合されていることが好ましい。上述の「バルクヘテロ接合型」とは、この混合されているタイプを示す。混合されている場合は、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料は分子レベルで相溶しているか、相分離しているが、ナノレベルで相分離していることが好ましい。この相分離構造のドメインサイズは特に限定されるものではないが通常1nm以上50nm以下のサイズである。積層されている場合は、p型半導体特性を示す電子供与性有機材料を有する層が正極側、n型半導体特性を示す電子受容性有機材料を有する層が負極側であることが好ましい。
The
有機半導体層3が積層されている場合の光起電力素子の一例を図2に示す。符号5は一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料を有する層、符号6は電子受容性有機材料を有する層である。有機半導体層は5nm〜500nmの厚さが好ましく、より好ましくは30nm〜300nmである。積層されている場合は、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料を有する層は上記厚さのうち1nm〜400nmの厚さを有していることが好ましく、より好ましくは15nm〜150nmである。
An example of the photovoltaic element in the case where the
また、有機半導体層3には一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体、および電子受容性有機材料以外の電子供与性有機材料(p型有機半導体)を含んでいてもよい。ここで用いる電子供与性有機材料(p型有機半導体)としては、先に例示したものが挙げられる。
The
本発明の光起電力素子においては、正極2もしくは負極4のいずれかに光透過性を有することが好ましい。電極の光透過性は、有機半導体層3に入射光が到達して起電力が発生する程度であれば、特に限定されるものではない。ここで、本発明における光透過性は、[透過光強度(W/m2)/入射光強度(W/m2)]×100(%)で求められる値である。電極の厚さは光透過性と導電性とを有する範囲であればよく、電極素材によって異なるが20nm〜300nmが好ましい。なお、もう一方の電極は導電性があれば必ずしも光透過性は必要ではなく、厚さも特に限定されない。
In the photovoltaic device of the present invention, it is preferable that either the
電極材料としては、一方の電極には仕事関数の大きな導電性素材、もう一方の電極には仕事関数の小さな導電性素材を使用することが好ましい。仕事関数の大きな導電性素材を用いた電極は正極となる。この仕事関数の大きな導電性素材としては金、白金、クロム、ニッケルなどの金属のほか、透明性を有するインジウム、スズ、モリブデンなどの金属酸化物、複合金属酸化物(インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)など)が好ましく用いられる。ここで、正極2に用いられる導電性素材は、有機半導体層3とオーミック接合するものであることが好ましい。さらに、後述する正孔輸送層を用いた場合においては、正極2に用いられる導電性素材は正孔輸送層とオーミック接合するものであることが好ましい。
As an electrode material, it is preferable to use a conductive material having a high work function for one electrode and a conductive material having a low work function for the other electrode. An electrode using a conductive material having a large work function is a positive electrode. Conductive materials with a large work function include metals such as gold, platinum, chromium and nickel, transparent metal oxides such as indium, tin and molybdenum, and composite metal oxides (indium tin oxide (ITO)). Indium zinc oxide (IZO) and the like are preferably used. Here, the conductive material used for the
仕事関数の小さな導電性素材を用いた電極は負極となるが、この仕事関数の小さな導電性素材としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属、具体的にはリチウム、マグネシウム、カルシウムなどが使用される。また、錫や銀、アルミニウムも好ましく用いられる。さらに、上記の金属からなる合金や上記の金属の積層体からなる電極も好ましく用いられる。 An electrode using a conductive material with a low work function is a negative electrode, but as the conductive material with a low work function, alkali metal or alkaline earth metal, specifically lithium, magnesium, calcium, etc. are used. . Tin, silver, and aluminum are also preferably used. Furthermore, an electrode made of an alloy made of the above metal or a laminate of the above metal is also preferably used.
また、負極4と電子輸送層の界面にフッ化リチウムやフッ化セシウムなどの金属フッ化物や炭酸セシウムなどの金属炭酸塩を導入することで、取り出し電流を向上させることも可能である。ここで、負極4に用いられる導電性素材は、有機半導体層3とオーミック接合するものであることが好ましい。さらに、後述する電子輸送層を用いた場合においては、負極4に用いられる導電性素材は電子輸送層とオーミック接合するものであることが好ましい。
In addition, it is possible to improve the extraction current by introducing a metal fluoride such as lithium fluoride or cesium fluoride or a metal carbonate such as cesium carbonate at the interface between the
基板1は、光電変換材料の種類や用途に応じて、電極材料や有機半導体層が積層できる基板、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、エポキシ樹脂やフッ素系樹脂等の有機材料から任意の方法によって作製されたフィルムや板が使用可能である。また基板側から光を入射して用いる場合は、上記に示した各基板に80%程度の光透過性を持たせておくことが好ましい。
The
本発明では、正極2と有機半導体層3の間に正孔輸送層を設けてもよい。正孔輸送層を形成する材料としては、ポリチオフェン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体などの導電性高分子や、フタロシアニン誘導体(H2Pc、CuPc、ZnPcなど)、ポルフィリン誘導体などのp型半導体特性を示す低分子有機化合物が好ましく用いられる。特に、ポリチオフェン系重合体であるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)やPEDOTにポリスチレンスルホネート(PSS)が添加されたものが好ましく用いられる。正孔輸送層は5nm〜600nmの厚さが好ましく、より好ましくは30nm〜200nmである。
In the present invention, a hole transport layer may be provided between the
また、正孔輸送層をフルオラス化合物(分子中にフッ素原子を1個以上有する有機化合物)により処理することが好ましく、光電変換効率をより向上させることができる。フルオラス化合物として、例えばベンゾトリフルオリド、ヘキサフルオロベンゼン、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、ペルフルオロトルエン、ペルフルオロデカリン、ペルフルオロヘキサン、1H,1H,2H,2H−ヘプタデカフルオロ−1−デカノール(F−デカノール)などが挙げられる。 Further, it is preferable to treat the hole transport layer with a fluorous compound (an organic compound having one or more fluorine atoms in the molecule), and the photoelectric conversion efficiency can be further improved. Examples of fluorous compounds include benzotrifluoride, hexafluorobenzene, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol, perfluorotoluene, perfluorodecalin, perfluorohexane, 1H, 1H, 2H, 2H-hepta. Decafluoro-1-decanol (F-decanol) and the like can be mentioned.
より好ましくはベンゾトリフルオリド、ペルフルオロヘキサン、F−デカノールが用いられる。処理方法としては、正孔輸送層を形成する材料に上述のフルオラス化合物をあらかじめ混合してから正孔輸送層を形成する方法や、正孔輸送層を形成してから上述のフルオラス化合物を接触させる方法(スピンコート、ディップコート、ブレードコート、蒸着、蒸気処理など)が挙げられる。 More preferably, benzotrifluoride, perfluorohexane, or F-decanol is used. As a treatment method, the above-mentioned fluorous compound is mixed in advance with the material for forming the hole-transporting layer and then the hole-transporting layer is formed, or the hole-transporting layer is formed and then the above-mentioned fluorous compound is contacted Examples thereof include spin coating, dip coating, blade coating, vapor deposition, and steam treatment.
また、本発明の光起電力素子は、有機半導体層3と負極4の間に電子輸送層を設けてもよい。電子輸送層を形成する材料として、特に限定されるものではないが、上述の電子受容性有機材料(NTCDA、PTCDA、PTCDI−C8H、オキサゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、ホスフィンオキサイド誘導体、フラーレン化合物、CNT、CN−PPVなど)や酸化チタンのようにn型半導体特性を示す化合物が好ましく用いられる。電子輸送層は5nm〜600nmの厚さが好ましく、より好ましくは30nm〜200nmである。
In the photovoltaic device of the present invention, an electron transport layer may be provided between the
また、本発明の光起電力素子は、1つ以上の中間電極を介して2層以上の有機半導体層を積層(タンデム化)して直列接合を形成してもよい。例えば、基板/正極/第1の有機半導体層/中間電極/第2の有機半導体層/負極という積層構成を挙げることができる。このように積層することにより、開放電圧を向上させることができる。なお、正極と第1の有機半導体層の間、および、中間電極と第2の有機半導体層の間に上述の正孔輸送層を設けてもよく、第1の有機半導体層と中間電極の間、および、第2の有機半導体層と負極の間に上述の正孔輸送層を設けてもよい。 In the photovoltaic device of the present invention, two or more organic semiconductor layers may be stacked (tandemized) via one or more intermediate electrodes to form a series junction. For example, a laminated structure of substrate / positive electrode / first organic semiconductor layer / intermediate electrode / second organic semiconductor layer / negative electrode can be given. By laminating in this way, the open circuit voltage can be improved. Note that the hole transport layer described above may be provided between the positive electrode and the first organic semiconductor layer and between the intermediate electrode and the second organic semiconductor layer, and between the first organic semiconductor layer and the intermediate electrode. The hole transport layer described above may be provided between the second organic semiconductor layer and the negative electrode.
このような積層構成の場合、有機半導体層の少なくとも1層が本発明の光起電力素子用材料を含み、他の層には、短絡電流を低下させないために、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体とはバンドギャップの異なる電子供与性有機材料を含むことが好ましい。 In the case of such a laminated structure, at least one of the organic semiconductor layers contains the material for a photovoltaic device of the present invention, and the other layers are represented by the general formula (1) in order not to reduce the short-circuit current. It is preferable to include an electron-donating organic material having a different band gap from the conjugated polymer having a structure.
このような電子供与性有機材料としては、例えば上述のポリチオフェン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリ−p−フェニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体、ポリピロール系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリアセチレン系重合体、ポリチエニレンビニレン系重合体、ベンゾチアジアゾール系重合体(例えば、PCPDTBT(poly[2,6−(4,4−bis−(2−ethylhexyl)−4H−cyclopenta[2,1−b;3,4−b’]dithiophene)−alt−4,7−(2,1,3−benzothiadiazole)])や、PSBTBT(poly[(4,4−bis−(2−ethylhexyl)dithieno[3,2−b:2’,3’−d]silole)−2,6−diyl−alt−(2,1,3−benzothiadiazole)−4,7−diyl]))などの共役系重合体があげられる。 Examples of such an electron-donating organic material include the polythiophene polymer, poly-p-phenylene vinylene polymer, poly-p-phenylene polymer, polyfluorene polymer, polypyrrole polymer, polyaniline described above. Polymer, polyacetylene polymer, polythienylene vinylene polymer, benzothiadiazole polymer (for example, PCPDTBT (poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [ 2,1-b; 3,4-b ′] dithiophene) -alt-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]) and PSBTBT (poly [(4,4-bis- (2-ethylhexyl)). ) Dithiono [3,2-b: 2 ′, 3′-d] silole -2,6-diyl-alt- (2,1,3-benzothiadiazole) -4,7-diyl])) conjugated polymers and the like.
また、H2フタロシアニン(H2Pc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)等のフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジ(3−メチルフェニル)−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(TPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニル−4,4’−ジフェニル−1,1’−ジアミン(NPD)等のトリアリールアミン誘導体、4,4’−ジ(カルバゾール−9−イル)ビフェニル(CBP)等のカルバゾール誘導体、オリゴチオフェン誘導体(ターチオフェン、クウォーターチオフェン、セキシチオフェン、オクチチオフェンなど)等の低分子有機化合物が挙げられる。 Further, phthalocyanine derivatives such as H 2 phthalocyanine (H 2 Pc), copper phthalocyanine (CuPc), zinc phthalocyanine (ZnPc), porphyrin derivatives, N, N′-diphenyl-N, N′-di (3-methylphenyl)- Tria such as 4,4′-diphenyl-1,1′-diamine (TPD), N, N′-dinaphthyl-N, N′-diphenyl-4,4′-diphenyl-1,1′-diamine (NPD) Low molecular organic compounds such as reelamine derivatives, carbazole derivatives such as 4,4′-di (carbazol-9-yl) biphenyl (CBP), oligothiophene derivatives (terthiophene, quarterthiophene, sexithiophene, octithiophene, etc.) Is mentioned.
また、ここで用いられる中間電極用の素材としては高い導電性を有するものが好ましく、例えば上述の金、白金、クロム、ニッケル、リチウム、マグネシウム、カルシウム、錫、銀、アルミニウムなどの金属や、透明性を有するインジウム、スズ、モリブデン、チタンなどの金属酸化物、複合金属酸化物(インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)など)、上記の金属からなる合金や上記の金属の積層体、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)やPEDOTにポリスチレンスルホネート(PSS)が添加されたものなどが挙げられる。中間電極は光透過性を有することが好ましいが、光透過性が低い金属のような素材でも膜厚を薄くすることで充分な光透過性を確保できる場合が多い。 In addition, the material for the intermediate electrode used here is preferably a material having high conductivity, for example, the above-mentioned metals such as gold, platinum, chromium, nickel, lithium, magnesium, calcium, tin, silver, aluminum, and transparent Metal oxides such as indium, tin, molybdenum and titanium, composite metal oxides (indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), etc.), alloys composed of the above metals and the above metals Examples include laminates, polyethylenedioxythiophene (PEDOT) and those obtained by adding polystyrene sulfonate (PSS) to PEDOT. The intermediate electrode preferably has a light transmission property, but even a material such as a metal having a low light transmission property can often ensure a sufficient light transmission property by reducing the film thickness.
次に、本発明の光起電力素子の製造方法について例を挙げて説明する。基板上にITOなどの透明電極(この場合正極に相当)をスパッタリング法などにより形成する。次に、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体、および必要によりその他の電子供与性有機材料や電子受容性有機材料を含む光起電力素子用材料を溶媒に溶解させて溶液を作り、透明電極上に塗布し有機半導体層を形成する。このとき用いられる溶媒は有機溶媒が好ましい。 Next, an example is given and demonstrated about the manufacturing method of the photovoltaic device of this invention. A transparent electrode such as ITO (corresponding to a positive electrode in this case) is formed on the substrate by sputtering or the like. Next, a conjugated polymer having a structure represented by the general formula (1) and, if necessary, a material for a photovoltaic device including other electron donating organic materials and electron accepting organic materials are dissolved in a solvent. A solution is made and applied onto the transparent electrode to form an organic semiconductor layer. The solvent used at this time is preferably an organic solvent.
例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、トルエン、キシレン、o−クロロフェノール、アセトン、酢酸エチル、エチレングリコール、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、クロロナフタレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。これらを2種以上用いてもよい。 For example, methanol, ethanol, butanol, toluene, xylene, o-chlorophenol, acetone, ethyl acetate, ethylene glycol, tetrahydrofuran, dichloromethane, chloroform, dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, chloronaphthalene, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, Examples thereof include N-methylpyrrolidone and γ-butyrolactone. Two or more of these may be used.
また、上述のフルオラス化合物を含有することで光電変換効率をより向上させることができる。常温常圧で液体であるフルオラス化合物(フルオラス溶媒)が好ましく、より好ましくは上述のベンゾトリフルオリド、ペルフルオロヘキサン、F−デカノールが用いられる。フルオラス化合物の含有量は全溶媒量に対して0.01〜20体積%が好ましく、より好ましくは0.1〜2体積%である。また、フルオラス溶媒の含有量は全溶媒中0.01〜30重量%が好ましく、より好ましくは0.1〜4重量%である。 Moreover, photoelectric conversion efficiency can be improved more by containing the above-mentioned fluorous compound. Fluorous compounds (fluorus solvents) that are liquid at normal temperature and pressure are preferred, and the above-mentioned benzotrifluoride, perfluorohexane, and F-decanol are more preferably used. The content of the fluoro compound is preferably 0.01 to 20% by volume, more preferably 0.1 to 2% by volume, based on the total amount of the solvent. Further, the content of the fluorous solvent is preferably 0.01 to 30% by weight, more preferably 0.1 to 4% by weight in the total solvent.
一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料および電子受容性有機材料を混合して有機半導体層を形成する場合は、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料と電子受容性有機材料を所望の比率で溶媒に添加し、加熱、撹拌、超音波照射などの方法を用いて溶解させ溶液を作り、透明電極上に塗布する。この場合、2種以上の溶媒を混合して用いることで光起電力素子の光電変換効率を向上させることもできる。これは、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料がナノレベルで相分離を起こし、電子と正孔の通り道となるキャリアパスが形成されるためと推測される。組み合わせる溶媒は、用いる電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の種類によって最適な組み合わせの種類を選択することができる。 When an organic semiconductor layer is formed by mixing an electron-donating organic material containing an conjugated polymer having a structure represented by the general formula (1) and an electron-accepting organic material, the organic semiconductor layer is represented by the general formula (1). An electron-donating organic material containing a conjugated polymer having a structure and an electron-accepting organic material are added to a solvent at a desired ratio, and dissolved using a method such as heating, stirring, or ultrasonic irradiation to form a solution. Apply on a transparent electrode. In this case, the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic element can be improved by using a mixture of two or more solvents. This is presumably because the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material undergo phase separation at the nano level, and a carrier path that forms a path for electrons and holes is formed. As the solvent to be combined, an optimal combination type can be selected depending on the types of the electron donating organic material and the electron accepting organic material to be used.
一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料を用いる場合、組み合わせる好ましい溶媒として上述の中でもクロロホルムとクロロベンゼンが挙げられる。この場合、各溶媒の混合体積比率は、クロロホルム:クロロベンゼン=5:95〜95:5の範囲であることが好ましく、さらに好ましくはクロロホルム:クロロベンゼン=10:90〜90:10の範囲である。 When using an electron-donating organic material containing a conjugated polymer having a structure represented by the general formula (1), chloroform and chlorobenzene are mentioned as preferred solvents to be combined. In this case, the mixing volume ratio of each solvent is preferably in the range of chloroform: chlorobenzene = 5: 95 to 95: 5, more preferably in the range of chloroform: chlorobenzene = 10: 90 to 90:10.
また、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料および電子受容性有機材料を積層して有機半導体層を形成する場合は、例えば電子供与性有機材料の溶液を塗布して電子供与性有機材料を有する層を形成した後に、電子受容性有機材料の溶液を塗布して層を形成する。ここで、電子供与性有機材料および電子受容性有機材料は、分子量が1000以下程度の低分子量体である場合には、蒸着法を用いて層を形成することも可能である。 Further, when an organic semiconductor layer is formed by laminating an electron donating organic material containing a conjugated polymer having a structure represented by the general formula (1) and an electron accepting organic material, for example, an electron donating organic material After forming a layer having an electron-donating organic material by applying the above solution, a layer of the electron-accepting organic material is applied to form a layer. Here, when the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material are low molecular weight substances having a molecular weight of about 1000 or less, it is possible to form a layer using a vapor deposition method.
有機半導体層の形成には、スピンコート塗布、ブレードコート塗布、スリットダイコート塗布、スクリーン印刷塗布、バーコーター塗布、鋳型塗布、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法、スプレー法、真空蒸着法など何れの方法を用いてもよく、膜厚制御や配向制御など、得ようとする有機半導体層特性に応じて形成方法を選択すればよい。例えばスピンコート塗布を行う場合には、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料、および電子受容性有機材料が1〜20g/lの濃度(一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料と電子受容性有機材料と溶媒を含む溶液の体積に対する、一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料と電子受容性有機材料の重量)であることが好ましく、この濃度にすることで厚さ5〜200nmの均質な有機半導体層を得ることができる。 For organic semiconductor layer formation, spin coating, blade coating, slit die coating, screen printing coating, bar coater coating, mold coating, printing transfer method, dip pulling method, ink jet method, spray method, vacuum deposition method, etc. This method may be used, and the formation method may be selected according to the characteristics of the organic semiconductor layer to be obtained, such as film thickness control and orientation control. For example, when spin coating is performed, the concentration of electron donating organic material including a conjugated polymer having the structure represented by the general formula (1) and the electron accepting organic material is 1 to 20 g / l (general Conjugation having the structure represented by the general formula (1) with respect to the volume of the solution containing the electron donating organic material, the electron accepting organic material and the solvent including the conjugated polymer having the structure represented by the formula (1) The weight of the electron-donating organic material and the electron-accepting organic material containing the polymer is preferable, and a homogeneous organic semiconductor layer having a thickness of 5 to 200 nm can be obtained by using this concentration.
形成した有機半導体層に対して、溶媒を除去するために、減圧下または不活性雰囲気下(窒素やアルゴン雰囲気下)などでアニーリング処理を行ってもよい。アニーリング処理の好ましい温度は40℃〜300℃、より好ましくは50℃〜200℃である。また、アニーリング処理を行うことで、積層した層が界面で互いに浸透して接触する実効面積が増加し、短絡電流を増大させることができる。このアニーリング処理は、負極の形成後に行ってもよい。 In order to remove the solvent, the formed organic semiconductor layer may be subjected to an annealing treatment under reduced pressure or in an inert atmosphere (in a nitrogen or argon atmosphere). A preferable temperature for the annealing treatment is 40 ° C to 300 ° C, more preferably 50 ° C to 200 ° C. Further, by performing the annealing treatment, the effective area where the stacked layers permeate and contact each other at the interface increases, and the short-circuit current can be increased. This annealing treatment may be performed after the formation of the negative electrode.
次に、有機半導体層上にAlなどの金属電極(この場合負極に相当)を真空蒸着法やスパッタ法により形成する。金属電極は、電子輸送層に低分子有機材料を用いて真空蒸着した場合は、引き続き、真空を保持したまま続けて形成することが好ましい。 Next, a metal electrode such as Al (corresponding to a negative electrode in this case) is formed on the organic semiconductor layer by vacuum deposition or sputtering. When the metal electrode is vacuum-deposited using a low molecular organic material for the electron transport layer, it is preferable that the metal electrode is continuously formed while maintaining the vacuum.
正極と有機半導体層の間に正孔輸送層を設ける場合には、所望のp型有機半導体材料(PEDOTなど)を正極上にスピンコート法、バーコーティング法、ブレードによるキャスト法等で塗布した後、真空恒温槽やホットプレートなどを用いて溶媒を除去し、正孔輸送層を形成する。フタロシアニン誘導体やポルフィリン誘導体などの低分子有機材料を使用する場合には、真空蒸着機を用いた真空蒸着法を適用することも可能である。 When a hole transport layer is provided between the positive electrode and the organic semiconductor layer, a desired p-type organic semiconductor material (such as PEDOT) is applied on the positive electrode by spin coating, bar coating, blade casting, or the like. Then, the solvent is removed using a vacuum thermostat or a hot plate to form a hole transport layer. In the case of using a low molecular organic material such as a phthalocyanine derivative or a porphyrin derivative, it is also possible to apply a vacuum vapor deposition method using a vacuum vapor deposition machine.
有機半導体層と負極の間に電子輸送層を設ける場合には、所望のn型有機半導体材料(フラーレン誘導体など)n型無機半導体材料(酸化チタンゲルなど)を有機半導体層上にスピンコート法、バーコーティング法、ブレードによるキャスト法、スプレー法等で塗布した後、真空恒温槽やホットプレートなどを用いて溶媒を除去し、電子輸送層を形成する。フェナントロリン誘導体やC60などの低分子有機材料を使用する場合には、真空蒸着機を用いた真空蒸着法を適用することも可能である。 When an electron transport layer is provided between the organic semiconductor layer and the negative electrode, a desired n-type organic semiconductor material (such as fullerene derivatives) or an n-type inorganic semiconductor material (such as titanium oxide gel) is spin-coated on the organic semiconductor layer. After coating by a coating method, a casting method using a blade, a spray method, or the like, the solvent is removed using a vacuum thermostat or a hot plate to form an electron transport layer. When using a low molecular organic material such as a phenanthroline derivative or C 60, it is also possible to apply a vacuum deposition method using a vacuum deposition machine.
本発明の光起電力素子は、光電変換機能、光整流機能などを利用した種々の光電変換デバイスへの応用が可能である。例えば光電池(太陽電池など)、電子素子(光センサ、光スイッチ、フォトトランジスタ、フォトコンダクタなど)、光記録材(光メモリなど)などに有用である。 The photovoltaic element of the present invention can be applied to various photoelectric conversion devices using a photoelectric conversion function, an optical rectification function, and the like. For example, it is useful for a photovoltaic cell (such as a solar cell), an electronic element (such as an optical sensor, an optical switch, a phototransistor, and a photoconductor), an optical recording material (such as an optical memory), 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。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。また実施例等で用いた化合物のうち、略語を使用しているものについて、以下に示す。
ITO:インジウム錫酸化物
PEDOT:ポリエチレンジオキシチオフェン
PSS:ポリスチレンスルホネート
PC70BM:フェニル C71 ブチリックアシッドメチルエステル
Eg:バンドギャップ
HOMO:最高被占分子軌道
Isc:短絡電流密度
Voc:開放電圧
FF:フィルファクター
PCE:光電変換効率 。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. In addition, this invention is not limited to the following Example. Of the compounds used in the examples and the like, those using abbreviations are shown below.
ITO: indium tin oxide PEDOT: polyethylene dioxythiophene PSS: polystyrene sulfonate PC 70 BM: phenyl C71 butyric acid methyl ester Eg: band gap HOMO: highest occupied molecular orbital Isc: short circuit current density Voc: open circuit voltage FF: fill Factor PCE: photoelectric conversion efficiency.
なお、1H−NMR測定にはFT−NMR装置((株)日本電子製JEOL JNM−EX270)を用いた。また、平均分子量(数平均分子量、重量平均分子量)はGPC装置(クロロホルムを送液したTOSOH社製、高速GPC装置HLC−8220GPC)を用い、絶対検量線法によって算出した。重合度nは以下の式で算出した。
重合度n=[(重量平均分子量)/(繰り返しユニットの分子量)]
また、光吸収端波長は、ガラス上に約60nmの厚さに形成した薄膜について、日立製作所(株)製のU−3010型分光光度計を用いて測定した薄膜の紫外可視吸収スペクトル(測定波長範囲:300〜900nm)から得た。バンドギャップ(Eg)は以下の式により、光吸収端波長から算出した。なお、薄膜はクロロホルムを溶媒に用いてスピンコート法により形成した。
Eg(eV)=1240/光吸収端波長(nm)
また、最高被占分子軌道(HOMO)準位は、ITOガラス上に約60nmの厚さに形成した薄膜について、表面分析装置(大気中紫外線光電子分光装置AC−2型、理研機器(株)製)を用いて測定した。なお、薄膜はクロロホルムを溶媒に用いてスピンコート法により形成した。
For 1 H-NMR measurement, an FT-NMR apparatus (JEOL JNM-EX270 manufactured by JEOL Ltd.) was used. Moreover, the average molecular weight (number average molecular weight, weight average molecular weight) was calculated by an absolute calibration curve method using a GPC apparatus (manufactured by TOSOH Co., Ltd., to which chloroform was fed, high-speed GPC apparatus HLC-8220 GPC). The degree of polymerization n was calculated by the following formula.
Degree of polymerization n = [(weight average molecular weight) / (molecular weight of repeating unit)]
The light absorption edge wavelength is an ultraviolet-visible absorption spectrum (measurement wavelength) of a thin film formed on glass with a thickness of about 60 nm using a U-3010 spectrophotometer manufactured by Hitachi, Ltd. (Range: 300-900 nm). The band gap (Eg) was calculated from the light absorption edge wavelength by the following equation. The thin film was formed by spin coating using chloroform as a solvent.
Eg (eV) = 1240 / light absorption edge wavelength (nm)
In addition, the highest occupied molecular orbital (HOMO) level was determined by using a surface analyzer (in-air ultraviolet photoelectron spectrometer AC-2 type, manufactured by Riken Kikai Co., Ltd.) for a thin film formed on ITO glass with a thickness of about 60 nm. ). The thin film was formed by spin coating using chloroform as a solvent.
合成例1
化合物A−1を式1に示す方法で合成した。
Synthesis example 1
Compound A-1 was synthesized by the method shown in
化合物(1−a)((株)和光純薬工業製)20.29gをクロロホルム(162ml)/酢酸(72ml)混合溶液に加え、窒素雰囲気下で臭素74.1gを加えた後、室温で3時間、60℃で1時間撹拌し、9時間加熱還流させた。クロロホルムを留去したのち水300mlを加え、固体を濾取し、水、メタノールの順に洗浄した。得られた固体をエタノールから再結晶させ、化合物(1−b)を45.43g得た。 20.29 g of compound (1-a) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to a mixed solution of chloroform (162 ml) / acetic acid (72 ml), 74.1 g of bromine was added under a nitrogen atmosphere, The mixture was stirred at 60 ° C. for 1 hour and heated to reflux for 9 hours. After distilling off chloroform, 300 ml of water was added, and the solid was collected by filtration and washed with water and methanol in this order. The obtained solid was recrystallized from ethanol to obtain 45.43 g of compound (1-b).
上記の化合物(1−b)45.43gと亜鉛粉末(23.6g)をエタノール(472ml)/酢酸(113ml)/塩酸(濃度3M、9.4ml)/水(47ml)混合溶液に加え、窒素雰囲気下で2.5時間加熱還流させた。エタノールを留去したのち水を加え、固体を濾取し、得られた固体をクロロホルムに溶解させた。得られた溶液を水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥し、クロロホルムを留去した。得られた固体をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:熱ヘキサン)、次いでヘキサン再結晶により精製し、化合物(1−c)を24.82g得た。 45.43 g of the above compound (1-b) and zinc powder (23.6 g) were added to a mixed solution of ethanol (472 ml) / acetic acid (113 ml) / hydrochloric acid (concentration 3M, 9.4 ml) / water (47 ml), and nitrogen was added. The mixture was heated to reflux for 2.5 hours under an atmosphere. Ethanol was distilled off, water was added, the solid was collected by filtration, and the resulting solid was dissolved in chloroform. The resulting solution was washed with water and dried over magnesium sulfate, and chloroform was distilled off. The obtained solid was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hot hexane) and then recrystallized from hexane to obtain 24.82 g of compound (1-c).
上記の化合物(1−c)3.56gとヨウ化ナトリウム(8.24g)、ヨウ化銅(I)(0.1g)、N,N’−ジメチルエチレンジアミン(0.12ml)をo−キシレン(200ml)/ビス(2−メトキシエチル)エーテル(50ml)に加え、窒素雰囲気下で3日間加熱還流させた。得られた懸濁液から固体をろ別し、溶媒を減圧留去した。得られた固体をカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:熱ヘキサン)で精製し、化合物(1−d)を4.1g得た。 3.56 g of the above compound (1-c), sodium iodide (8.24 g), copper (I) iodide (0.1 g), N, N′-dimethylethylenediamine (0.12 ml) were mixed with o-xylene (0.12 ml). 200 ml) / bis (2-methoxyethyl) ether (50 ml), and the mixture was refluxed for 3 days under a nitrogen atmosphere. The solid was filtered off from the obtained suspension, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The obtained solid was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hot hexane) to obtain 4.1 g of compound (1-d).
上記の化合物(1−d)4.1gと8−ヘキサデシン((株)東京化成工業製)8.2ml、酢酸パラジウム0.22g、トリブチルアミン7mlをジメチルホルムアミド40mlに加え、窒素雰囲気下110℃で12時間撹拌した。得られた溶液にエーテルと水を加えて有機層を分取し、水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒を減圧留去した。得られたオイルをカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ヘキサン)により精製し、化合物(1−e)を1.63g得た。 4.1 g of the above compound (1-d) and 8-hexadecine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) (8.2 ml), palladium acetate (0.22 g) and tributylamine (7 ml) are added to dimethylformamide (40 ml) at 110 ° C. in a nitrogen atmosphere. Stir for 12 hours. Ether and water were added to the resulting solution to separate the organic layer, washed with water and dried over magnesium sulfate, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The obtained oil was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hexane) to obtain 1.63 g of compound (1-e).
上記の化合物(1−e)1.63gをジメチルホルムアミド40mlに溶解し、N−ブロモスクシンイミド2.8gを加え、室温で1日撹拌した。得られた溶液にエーテルと水を加えて有機層を分取し、水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒を減圧留去した。得られたオイルをカラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ヘキサン)により精製し、化合物(1−f)を1.66g得た。化合物(1−f)の1H−NMR測定結果を示す。
1H−NMR(CDCl3,ppm):7.39(s,2H)、2.89(t,4H)、1.65−1.31(m,20H)、0.90(t,6H) 。
1.63 g of the above compound (1-e) was dissolved in 40 ml of dimethylformamide, 2.8 g of N-bromosuccinimide was added, and the mixture was stirred at room temperature for 1 day. Ether and water were added to the resulting solution to separate the organic layer, washed with water and dried over magnesium sulfate, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The obtained oil was purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hexane) to obtain 1.66 g of compound (1-f). The 1 H-NMR measurement result of the compound (1-f) is shown.
1 H-NMR (CDCl 3 , ppm): 7.39 (s, 2H), 2.89 (t, 4H), 1.65 to 1.31 (m, 20H), 0.90 (t, 6H) .
化合物(1−g)((株)東京化成工業製)4.3gと臭素10gを48%臭化水素酸150mlに加え、120℃で3時間撹拌した。室温に冷却し、析出した固体をグラスフィルターで濾過し、水1000mlとアセトン100mlで洗浄した。得られた固体を60℃で真空乾燥し、化合物(1−h)6.72gを得た。 4.3 g of compound (1-g) (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 10 g of bromine were added to 150 ml of 48% hydrobromic acid and stirred at 120 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, the precipitated solid was filtered through a glass filter and washed with 1000 ml of water and 100 ml of acetone. The obtained solid was vacuum-dried at 60 ° C. to obtain 6.72 g of compound (1-h).
上記の化合物(1−h)5.3gを1,4−ジオキサン70mlに加え、窒素雰囲気下でビス(ピナコラトジボロン)10.6g、[ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]ジクロロパラジウム0.88g、酢酸カリウム5.3gを加えた後、80℃で5時間撹拌した。得られた懸濁液から固体をろ別し、溶媒を減圧留去した。得られた固体をヘキサンから再結晶させ、化合物(1−i)を3.29g得た。化合物(1−i)の1H−NMR測定結果を示す。
1H−NMR(CDCl3,ppm):8.14(s,2H)、1.45(s,24H) 。
5.3 g of the above compound (1-h) is added to 70 ml of 1,4-dioxane, and 10.6 g of bis (pinacolatodiboron) and 0.88 g of [bis (diphenylphosphino) ferrocene] dichloropalladium under a nitrogen atmosphere. After adding 5.3 g of potassium acetate, the mixture was stirred at 80 ° C. for 5 hours. The solid was filtered off from the obtained suspension, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The obtained solid was recrystallized from hexane to obtain 3.29 g of compound (1-i). The 1 H-NMR measurement result of compound (1-i) is shown.
1 H-NMR (CDCl 3, ppm): 8.14 (s, 2H), 1.45 (s, 24H).
上記の化合物(1−f)706mgと、上記の化合物(1−i)503mgをトルエン18mlに溶解した。ここに水10ml、炭酸カリウム3.59g、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)75mg、Aliquat336(アルドリッチ社製)1滴を加え、窒素雰囲気下、100℃にて9時間撹拌した。次いで、ブロモベンゼン1gを加え、100℃にて2時間撹拌し、フェニルボロン酸1gを加え、100℃にて2時間撹拌した。得られた溶液にメタノール500mlを加え、生成した固体を濾取し、メタノール、アセトン、熱水、熱アセトンの順に洗浄した。得られた固体をアセトン400mlに加え、30分間加熱還流した。熱時濾過して得られた固体をクロロホルムに溶解させ、シリカゲルショートカラム(溶離液:クロロホルム)を通した後に濃縮し、メタノールで再沈澱させて化合物A−1を600mg得た(収率88%)。重量平均分子量は28600、数平均分子量は15800、重合度nは55.1であった。また、光吸収端波長は705nm、バンドギャップ(Eg)は1.76eV、最高被占分子軌道(HOMO)準位は−5.12eVであった。 706 mg of the above compound (1-f) and 503 mg of the above compound (1-i) were dissolved in 18 ml of toluene. 10 ml of water, 3.59 g of potassium carbonate, 75 mg of tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) and 1 drop of Aliquat 336 (manufactured by Aldrich) were added thereto, and the mixture was stirred at 100 ° C. for 9 hours under a nitrogen atmosphere. Next, 1 g of bromobenzene was added and stirred at 100 ° C. for 2 hours, 1 g of phenylboronic acid was added, and the mixture was stirred at 100 ° C. for 2 hours. 500 ml of methanol was added to the obtained solution, and the generated solid was collected by filtration and washed with methanol, acetone, hot water and hot acetone in this order. The obtained solid was added to 400 ml of acetone and heated to reflux for 30 minutes. The solid obtained by filtration while hot was dissolved in chloroform, passed through a silica gel short column (eluent: chloroform), concentrated, and reprecipitated with methanol to obtain 600 mg of compound A-1 (yield 88%). ). The weight average molecular weight was 28600, the number average molecular weight was 15800, and the degree of polymerization n was 55.1. The light absorption edge wavelength was 705 nm, the band gap (Eg) was 1.76 eV, and the highest occupied molecular orbital (HOMO) level was −5.12 eV.
合成例2
化合物A−2を式2に示す方法で合成した。
Synthesis example 2
Compound A-2 was synthesized by the method shown in
合成例1の化合物(1−f)0.46gをテトラヒドロフラン10mlに溶解させ、−78℃に冷却したところに、濃度1.6Mのn−ブチルリチウムヘキサン溶液((株)和光純薬工業製)1.2mlを滴下し、−78℃で1時間撹拌した。次いで塩化トリメチルすず0.5gを加え、反応溶液を室温でさらに1日撹拌した後、水とジエチルエーテルを加えた。有機層を水で3回洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒を減圧留去して、化合物(2−a)を0.47g得た。化合物(2−a)の1H−NMR測定結果を示す。
1H−NMR(CDCl3,ppm):7.48(s,2H)、3.03(t,4H)、1.63−1.31(m,20H)、0.90(t,6H)、0.44(s,18H) 。
When 0.46 g of the compound (1-f) of Synthesis Example 1 was dissolved in 10 ml of tetrahydrofuran and cooled to −78 ° C., a 1.6 M concentration n-butyllithium hexane solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1.2 ml was dripped and it stirred at -78 degreeC for 1 hour. Next, 0.5 g of trimethyltin chloride was added, and the reaction solution was further stirred at room temperature for 1 day, and then water and diethyl ether were added. The organic layer was washed 3 times with water and then dried over magnesium sulfate, and the solvent was distilled off under reduced pressure to obtain 0.47 g of compound (2-a). The 1 H-NMR measurement result of the compound (2-a) is shown.
1 H-NMR (CDCl 3 , ppm): 7.48 (s, 2H), 3.03 (t, 4H), 1.63-1.31 (m, 20H), 0.90 (t, 6H) , 0.44 (s, 18H).
上記の化合物(2−a)197mgと、化合物(2−b)(ジャーナル オブ アミリカン ケミカル ソサイエティ(Journal of the American Chemical Society)、2009年、131巻、7792−7799頁に記載の方法で合成。)131mgをトルエン20mlに溶解した。ここにジメチルホルムアミド2ml、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)16mgを加え、窒素雰囲気下、120℃にて1日撹拌した。得られた溶液にメタノール500mlを加え、生成した固体を濾取し、メタノール、アセトン、熱水、アセトンの順に洗浄した。得られた固体をクロロホルムに溶解させ、シリカゲルショートカラム(溶離液:クロロホルム)を通した後に濃縮し、メタノールで再沈澱させて化合物A−2を180mg得た(収率93%)。重量平均分子量は4900、数平均分子量は3500、重合度nは7.0であった。また、光吸収端波長は762nm、バンドギャップ(Eg)は1.63eV、最高被占分子軌道(HOMO)準位は−4.96eVであった。 197 mg of the above compound (2-a) and compound (2-b) (synthesized by the method described in Journal of the American Chemical Society, 2009, Vol. 131, pages 7792-7799) 131 mg was dissolved in 20 ml of toluene. To this, 2 ml of dimethylformamide and 16 mg of tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) were added, and the mixture was stirred at 120 ° C. for 1 day in a nitrogen atmosphere. 500 ml of methanol was added to the resulting solution, and the generated solid was collected by filtration and washed with methanol, acetone, hot water and acetone in this order. The obtained solid was dissolved in chloroform, passed through a silica gel short column (eluent: chloroform), concentrated, and reprecipitated with methanol to obtain 180 mg of compound A-2 (yield 93%). The weight average molecular weight was 4,900, the number average molecular weight was 3,500, and the degree of polymerization n was 7.0. The light absorption edge wavelength was 762 nm, the band gap (Eg) was 1.63 eV, and the highest occupied molecular orbital (HOMO) level was -4.96 eV.
実施例1
上記A−1の1mgとPC70BM(Solenn社製)4mgをクロロベンゼン0.25mlの入ったサンプル瓶の中に加え、超音波洗浄機((株)井内盛栄堂製US−2(商品名)、出力120W)中で30分間超音波照射することにより溶液Aを得た。
Example 1
1 mg of the above A-1 and 4 mg of PC 70 BM (manufactured by Solen) are added to a sample bottle containing 0.25 ml of chlorobenzene, and an ultrasonic cleaning machine (US-2 (trade name) manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd.) The solution A was obtained by ultrasonic irradiation for 30 minutes in an output of 120 W).
スパッタリング法により正極となるITO透明導電層を120nm堆積させたガラス基板を38mm×46mmに切断した後、ITOをフォトリソグラフィー法により38mm×13mmの長方形状にパターニングした。得られた基板をアルカリ洗浄液(フルウチ化学(株)製、“セミコクリーン”EL56(商品名))で10分間超音波洗浄した後、超純水で洗浄した。この基板を30分間UV/オゾン処理した後に、基板上に正孔輸送層となるPEDOT:PSS水溶液(PEDOT0.8重量%、PPS0.5重量%)をスピンコート法により60nmの厚さに成膜した。ホットプレートにより200℃で5分間加熱乾燥した後、上記の溶液AをPEDOT:PSS層上に滴下し、スピンコート法により膜厚100nmの有機半導体層を形成した。その後、有機半導体層が形成された基板と陰極用マスクを真空蒸着装置内に設置して、装置内の真空度が1×10−3Pa以下になるまで再び排気し、抵抗加熱法によって、負極となるアルミニウム層を80nmの厚さに蒸着した。以上のように、ストライプ状のITO層とアルミニウム層が交差する部分の面積が5mm×5mmである光起電力素子を作製した。 A glass substrate on which an ITO transparent conductive layer serving as a positive electrode having a thickness of 120 nm was deposited by sputtering was cut into 38 mm × 46 mm, and then ITO was patterned into a 38 mm × 13 mm rectangular shape by photolithography. The obtained substrate was subjected to ultrasonic cleaning for 10 minutes with an alkali cleaning solution (“Semico Clean” EL56 (trade name), manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.), and then washed with ultrapure water. After this substrate was UV / ozone treated for 30 minutes, a PEDOT: PSS aqueous solution (0.8% by weight of PEDOT, 0.5% by weight of PPS) serving as a hole transport layer was formed on the substrate to a thickness of 60 nm by spin coating. did. After heating and drying at 200 ° C. for 5 minutes using a hot plate, the above solution A was dropped onto the PEDOT: PSS layer, and an organic semiconductor layer having a thickness of 100 nm was formed by spin coating. Thereafter, the substrate on which the organic semiconductor layer is formed and the cathode mask are placed in a vacuum evaporation apparatus, and the vacuum is exhausted again until the degree of vacuum in the apparatus becomes 1 × 10 −3 Pa or less. An aluminum layer was deposited to a thickness of 80 nm. As described above, a photovoltaic device having an area where the stripe-shaped ITO layer intersects with the aluminum layer was 5 mm × 5 mm was produced.
このようにして作製された光起電力素子の正極と負極をヒューレット・パッカード社製ピコアンメーター/ボルテージソース4140Bに接続して、大気中でITO層側から擬似太陽光(山下電装株式会社製 簡易型ソーラシミュレータ YSS−E40、スペクトル形状:AM1.5、強度:100mW/cm2)を照射し、印加電圧を−1Vから+2Vまで変化させたときの電流値を測定した。この時の短絡電流密度(印加電圧が0Vのときの電流密度の値)は3.66mA/cm2、開放電圧(電流密度が0になるときの印加電圧の値)は0.78V、フィルファクター(FF)は0.61であり、これらの値から算出した光電変換効率は1.7%であった。なお、フィルファクターと光電変換効率は次式により算出した。
フィルファクター=IVmax(mW/cm2)/(短絡電流密度(mA/cm2)×開放電圧(V))
(ここで、IVmaxは、印加電圧が0Vから開放電圧値の間で電流密度と印加電圧の積が最大となる点における電流密度と印加電圧の積の値である。)
光電変換効率=[(短絡電流密度(mA/cm2)×開放電圧(V)×フィルファクター)/擬似太陽光強度(100mW/cm2)]×100(%)
以下の比較例におけるフィルファクターと光電変換効率も全て上式により算出した。
The positive and negative electrodes of the photovoltaic device thus fabricated were connected to a picoammeter / voltage source 4140B manufactured by Hewlett-Packard Co., and simulated sunlight (from Yamashita Denso Co., Ltd., simplified) from the ITO layer side in the atmosphere. Type solar simulator YSS-E40, spectrum shape: AM1.5, intensity: 100 mW / cm 2 ), and the current value was measured when the applied voltage was changed from −1V to + 2V. At this time, the short-circuit current density (value of the current density when the applied voltage is 0 V) is 3.66 mA / cm 2 , the open circuit voltage (value of the applied voltage when the current density is 0) is 0.78 V, and the fill factor (FF) was 0.61, and the photoelectric conversion efficiency calculated from these values was 1.7%. The fill factor and photoelectric conversion efficiency were calculated by the following equations.
Fill factor = IVmax (mW / cm 2 ) / (Short-circuit current density (mA / cm 2 ) × Open circuit voltage (V))
(Here, IVmax is the value of the product of the current density and the applied voltage at the point where the product of the current density and the applied voltage becomes maximum when the applied voltage is between 0 V and the open circuit voltage value.)
Photoelectric conversion efficiency = [(short circuit current density (mA / cm 2 ) × open voltage (V) × fill factor) / pseudo sunlight intensity (100 mW / cm 2 )] × 100 (%)
The fill factor and photoelectric conversion efficiency in the following comparative examples were all calculated by the above formula.
実施例2
A−1の代わりに上記A−2を用いた他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製し、電流−電圧特性を測定した。この時の短絡電流密度は3.82mA/cm2、開放電圧は0.90V、フィルファクター(FF)は0.67であり、これらの値から算出した光電変換効率は2.3%であった。
Example 2
A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 1 except that A-2 was used in place of A-1, and current-voltage characteristics were measured. At this time, the short-circuit current density was 3.82 mA / cm 2 , the open-circuit voltage was 0.90 V, the fill factor (FF) was 0.67, and the photoelectric conversion efficiency calculated from these values was 2.3%. .
比較例1
A−1の代わりに下記B−1(エーシーエス アプライド マテリアルズ アンド インターフェイシズ(ACS Applied Materials & Interfaces)、2009年、1巻、1613−1621頁に記載の方法で合成。重量平均分子量は12000、数平均分子量は10000、重合度nは12.9であった。)を用いた他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製し、電流−電圧特性を測定した。この時の短絡電流密度は1.52mA/cm2、開放電圧は0.72V、フィルファクター(FF)は0.40であり、これらの値から算出した光電変換効率は0.44%であった。
Comparative Example 1
Instead of A-1, the following B-1 (ACS Applied Materials & Interfaces, 2009,
比較例2
A−1の代わりに下記B−2(マクロモレキュルズ(Macromolecules)、2009年、42巻、6564−6571頁に記載の方法で合成。重量平均分子量は15400、数平均分子量は10200、重合度nは16.5であった。)を用いた他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製し、電流−電圧特性を測定した。この時の短絡電流密度は4.52mA/cm2、開放電圧は0.68V、フィルファクター(FF)は0.45であり、これらの値から算出した光電変換効率は1.38%であった。
Comparative Example 2
Instead of A-1, the following B-2 (synthesized by the method described in Macromolecules, 2009, Vol. 42, pages 6564-6571. Weight average molecular weight is 15400, number average molecular weight is 10200, polymerization degree A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 1 except that n was 16.5.), and current-voltage characteristics were measured. The short-circuit current density at this time was 4.52 mA / cm 2 , the open-circuit voltage was 0.68 V, the fill factor (FF) was 0.45, and the photoelectric conversion efficiency calculated from these values was 1.38%. .
比較例3
A−1の代わりに下記B−3(マクロモレキュルズ(Macromolecules)、2010年、43巻、811−820頁に記載の方法で合成。重量平均分子量は12000、数平均分子量は9000、重合度nは10.9であった。)を用いた他は実施例1と全く同様にして光起電力素子を作製し、電流−電圧特性を測定した。この時の短絡電流密度は1.82mA/cm2、開放電圧は0.72V、フィルファクター(FF)は0.41であり、これらの値から算出した光電変換効率は0.54%であった。
Comparative Example 3
Instead of A-1, it was synthesized by the method described in the following B-3 (Macromolecules, 2010, 43, 811-820. Weight average molecular weight was 12000, number average molecular weight was 9000, polymerization degree A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 1 except that n was 10.9.), and current-voltage characteristics were measured. At this time, the short-circuit current density was 1.82 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 0.72 V, the fill factor (FF) was 0.41, and the photoelectric conversion efficiency calculated from these values was 0.54%. .
1 基板
2 正極
3 有機半導体層
4 負極
5 一般式(1)で表される構造を有する共役系重合体を含む電子供与性有機材料を有する層
6 電子受容性有機材料を有する層
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|---|---|---|---|---|
| JP2015518497A (en) * | 2012-03-16 | 2015-07-02 | メルク パテント ゲーエムベーハー | Conjugated polymer |
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| GB2591997A (en) * | 2020-02-04 | 2021-08-18 | Sumitomo Chemical Co | Photoactive material |
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