JP5730031B2 - フラーレン誘導体及びそれを用いた光電変換素子 - Google Patents
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Description
フラーレン誘導体は、電子受容性の高い有機半導体材料であり、有機光電変換素子(有機太陽電池、光センサー等)への応用が期待されている。有機薄膜太陽電池におけるフラーレン誘導体としては、フェニル基と酪酸エステル基をメチレンで架橋したメタノフラーレン(フェニルC61ブチリックアシッドメチルエステル;PCBM)が広く知られており、このPCBMと共役系高分子ポリ(3−ヘキシルチオフェン);P3HTとの混合活性層からなるバルクヘテロ接合構造の有機薄膜太陽電池において、5%程度のエネルギー変換効率が達成されている(非特許文献1、2参照)。
変換効率(η)=開放端電圧(VOC)× 短絡電流(JSC)× 曲線因子(FF)
の式で表わされる。
式に見られるように、開放端電圧を上昇させることは変換効率の増大に大きく寄与する。また、開放端電圧はドナーのHOMO(最高占有分子軌道)とアクセプターのLUMO(最低非占有分子軌道)のエネルギー差と強く相関することが知られており(非特許文献3)、アクセプター材料のLUMOエネルギーを上昇させることが開放端電圧の増大につながる。具体的には、Blomらはフェニル酪酸エステル基を二つ置換したビスメタノフラーレン(bisPCBM)において、PCBM比で約100meVのLUMOエネルギーの上昇(第一還元電位測定による)に対し、0.15Vの開放端電圧の増大および光電変換効率が1.2倍となることを報告している(非特許文献4)。
一方、非特許文献6では、PCBMのフェニル基に置換基を入れたメタノフラーレン誘導体に対し開放端電圧との相関を調べているが、これらの化合物は置換基とフラーレン核がメチレンブリッジを介して置換されたメタノフラーレン誘導体構造であるため、置換基の効果がフラーレン核に対して間接的であり、LUMOエネルギーの上昇には限界がある。
このように、これらの報告は総じてより高い開放端電圧を得る指針としては不十分であり、この問題の解決は不充分であった。
また本発明は、第一還元電位が1160mV以上であることを特徴とする前記記載のフラーレン誘導体に関する。
さらに本発明は、電子供与性を有するp型共役高分子とn型のフラーレン誘導体を含むヘテロ接合層を有する光電変換素子において、光電変換層に前記記載のフラーレン誘導体を用いることを特徴とする光電変換素子に関する。
本発明は提供されるフラーレン誘導体は一般式(I)で表わされ、フラーレン核近傍に電子供与構造(以下、Donor−Subと記す。)を有することを特徴とする。
Donor−Subは、フラーレン核から2結合離れた位置に電子供与性置換原子を少なくとも1個配置した芳香環あるいは複素環を有する1価の置換基を表し、Rは水素、Donor−Sub、合計炭素数1以上20以下のアルキル基、シクロアルキル基、アルコキシ基、アルコキシ置換アルキル基、アルコキシ置換アルコキシ基、アルキルチオ置換アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルチオ置換アルキルチオ基、アルコキシ置換アルキルチオ基、ベンジル基またはフェニル基を表す。Donor−Subおよび置換基Rを何組持つかは特に制限されるものではないが、nは1〜10の整数を示し、1〜6であることが好ましい。
一般式(I)におけるDonor−Subとしては、例えば下記の構造をもつものが挙げられる。
これらDonor−Subの具体例としては、下記を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。なお、式中のMeはメチル基、Etはエチル基を表す。
本発明のフラーレン誘導体の合成方法の一例を述べるが、これらの方法に限定されるものではない。すなわち、目的とするフラーレンの前駆体であるボロン酸(実施例中、1a、2a、3aが該当)およびフラーレンC60をロジウム触媒存在下、オルトジクロロベンゼン/水中で、60〜100℃で、1〜12時間加熱する手法(M.Nambo、R.Noyori、K.Itami、J.Am.Chem.Soc.vol.129,2007,p.8080−8081)により、目的のフラーレン誘導体を得ることができる。さらに、得られたフラーレン誘導体をオルトジクロロベンゼン/ベンゾニトリル中、カリウム−tert−ブトキシドを加え、室温〜150℃で有機ハロゲン化物(実施例中、4、5、6が該当)を反応させることにより異なる二種類の置換基を有するフラーレン誘導体を得ることができる。あるいは、酸化フラーレンC60Oをオルトジクロロベンゼン中、0℃においてルイス酸存在下ベンゼン誘導体(実施例中、7a、8aが該当)と反応させることでDonor−subを2つ持つフラーレン誘導体を得ることができる。
本発明のフラーレン誘導体は、一般的なフラーレン誘導体(PCBM)に比べ高いLUMOエネルギーレベルを示す。またLUMOエネルギーが高いほど開放端電圧が高くなる傾向があることが知られている。フラーレン誘導体のLUMOエネルギーの評価については、通常、サイクリックボルタンメトリーによる第一還元電位の測定によって決定、比較することができる。すなわち、第一還元電位が高いフラーレン誘導体ほどLUMOエネルギーレベルが高いことが示唆される。第一還元電位の測定法としては、例えば、テトラブチルアンモニウム過塩素酸塩のオルトジクロロベンゼン溶液にフラーレン誘導体を溶解させ、ポテンショスタットガルバノスタットによって測定することができる。第一還元電位は、フェロセンの酸化/還元電位(Fc/Fc+)を内部基準として、第一還元ピークとその酸化ピークの平均値として求めることができる。本発明のフラーレン誘導体は少なくともPCBMより高い第一還元電位を示すことを特徴とし、少なくとも1160mV(vs Fc/Fc+)以上の還元電位を示す。
次に、本発明のフラーレン誘導体を用いた光電変換素子(有機光電変換素子)について説明する。本発明の光電変換素子としては、例えば、本発明のフラーレン誘導体を電子輸送材料として利用し、適当なホール輸送材料と積層、あるいは混合した光電変換層を有するヘテロ接合型素子などが挙げられる。または、本発明のフラーレン誘導体のみを用いた層を形成してもよい。前記ホール輸送材料としては、低分子色素あるいは高分子化合物が望ましい。
本発明のヘテロ接合型電子デバイスの構造としては、例えば、少なくとも一方が透明または半透明な導電性電極基板と対電極の間に、本発明のフラーレン誘導体とホール輸送材料による光電変換層を有するものが挙げられる。
1H−NMR(270MHz;CDCl3)δ7.48(t,1H,8.4Hz),6.95(d,2H,8.6Hz),6.80(s,1H),4.30(br,4H),1.86−1.84(m,4H),1.22(br,26H),0.84(t,6H,6.4Hz);13C−NMR(67.8MHz;CDCl3)δ158.64,156.46,155.06,147.32,146.44,146.32,146.22,146.15,146.06,146.05,145.41,145.34,145.15,144.98,144.81,144.78,143.42,142.59,142.51,142.29,142.00,141.75,141.57,141.52,140.07,139.23,137.79,135.51,129.62(CH),122.99,106.43(CH),70.07(OCH2),64.01,63.28(CH),31.86(CH2),29.66(CH2),-29.56(CH2),29.3(CH2),29.26(CH2),26.8(CH2),22.66(CH2),14.11(CH3);MALDI−TOF−MS 1110.4[M]+.
1H−NMR(300MHz;CDCl3/CS2)δ7.44(t,1H,8.3Hz),6.90(d,2H,8.4Hz),6.76(s,1H),4.28(br,4H),1.88−1.83(m,4H),1.49−1.31(m,12H),0.89(t,6H,7.2Hz);13C−NMR(75MHz;CDCl3/CS2)δ158.47,156.24,154.85,147.38,147.19,147.14,146.27,146.20,146.06,145.95,145.92,145.29,145.27,145.03,144.88,144.70,144.67,143.35,142.99,142.49,142.41,142.18,141.89,141.61,141.47,141.42,139.81,139.13,137.66,135.38,129.56(CH),122.77,106.33(CH),69.91(OCH2),63.83,63.19(CH),28.97(CH2),28.85(CH2),22.74(CH2),26.8(CH2),22.66(CH2),14.14(CH3);MALDI−TOF−MS 971.2[M]+.
1H−NMR(300MHz;CDCl3/CS2)δ7.41(t,1H,8.4Hz),6.89(d,2H,8.4Hz),6.76(s,1H),4.37(br,4H),3.70(t,4H,4.8Hz),3.26(s,6H);13C−NMR(75MHz;CDCl3/CS2)δ158.15,155.91,154.99,147.29,147.17,147.05,146.24,146.11,145.98,145.87,145.85,145.18,145.10,144.95,144.85,144.61,144.60,143.27,142.92,142.42,142.34,142.12,141.82,141.58,141.39,141.37,139.72,139.03,137.38,135.41,129.58(CH),122.98,106.79(CH),70.37(OCH2),68.84(OCH2),63.57,62.93(CH),58.79(CH3);MALDI−TOF−MS 946.0[M]+.
1H−NMR(300MHz;CD2Cl2)δ7.77(d,2H,7.3Hz),7.69(d,2H,7.3Hz),7.33(t,1H,8.3Hz),7.24−7.19(m,4H),7.14(d,2H,7.2Hz),6.81(d,1H,8.4Hz),6.68(d,1H,8.4Hz),5.24(s,1H),4.22(t,2H,6.5Hz),3.93(t,2H,5.8Hz),1.95−1.75(m,2H),1.40(br,4H),1.16(br,26H),0.82−0.77(m,6H);13C−NMR(75MHz;CD2Cl2)δ160.13,159.01,156.75,155.58,154.13,149.25,149.16,149.05,149.01,148.91,148.84,148.56,148.35,147.41,147.35,147.31,147.25,147.19,147.05,146.82,146.66,145.94,145.70,145.64,145.53,145.50,145.45,145.07,145.03,144.99,144.66,144.47,144.44,144.33,144.21,144.18,144.04,143.71,143.61,143.55,143.41,143.33,143.28,143.19,143.16,143.03,142.96,142.77,142.74,142.61,142.27,141.85,141.59,140.97,140.58,140.46,140.24,139.34,138.94,138.08,130.86,130.28(CH),129.93(CH),129.84(CH),128.68(CH),128.62(CH),128.15(CH),127.86(CH),127.72(CH),126.27(CH),116.05,106.53(CH),106.20(CH),70.47(OCH2),69.75(OCH2),64.98(CH),63.86,57.82,32.29(CH2),30.11(CH2),30.03(CH2),29.75(CH2),29.30(CH2),27.12(CH2),27.04(CH2),23.11(CH2),14.33(CH3);ESI−MS 1300.4[M+Na]+.
1H−NMR(270MHz;CDCl3)δ7.84(d,2H,7.3Hz),7.74(d,2H,7.3Hz),7.39(t,1H,8.4Hz),7.31−7.21(m,6H),6.86(d,1H,8.2Hz),6.74(d,1H,8.2Hz),5.28(s,1H),4.29(t,2H,6.6Hz),3.99(t,2H,6.8Hz),1.94−1.82(m,2H),1.50−1.21(m,10H),0.91−0.80(m,6H);13C−NMR(67.8MHz;CDCl3)δ159.74,158.61,156.21,155.04,153.61,148.85,148.68,148.53,148.10,147.96,147.06,147.01,146.98,146.91,146.84,146.71,146.21,146.15,145.73,145.32,145.17,145.12,144.70,144.62,144.30,144.10,143.91,143.85,143.80,143.62,143.34,143.23,143.00,142.96,142.85,142.78,142.68,142.63,142.44,142.38,142.27,141.87,141.48,141.21,140.47,140.13,140.06,139.88,138.98,138.56,137.65,129.95(CH),129.60(CH),129.37(CH),128.26(CH),128.19(CH),127.42(CH),127.29(CH),115.9,106.08(CH),105.76(CH),70.00(OCH2),69.28(OCH2),64.61(CH),63.45,57.32,28.95(CH2),28.72(CH2),28.59(CH2),28.47(CH2),22.62(CH2),14.11(CH3),14.05(CH3);ESI−MS 1159.2[M+Na]+.
1H−NMR(270MHz;(CD3)2CO/CS2)δ7.75(d,2H,7.3Hz),7.65(d,2H,7.3Hz),7.31(t,1H,8.2Hz),7.22−7.04(m,6H),6.81(d,1H,8.2Hz),6.69(d,1H,8.2Hz),5.19(s,1H),4.33(t,2H,4.8Hz),4.09−4.06(m,2H),3.68(t,2H,4.8Hz),3.35−3.26(m,2H),3.22(s,3H),3.15(s,3H);13C−NMR(67.8MHz;(CD3)2CO/CS2)δ159.99,158.47,156.26,155.74,153.86,149.13,149.00,148.95,148.85,148.73,148.43,148.32,147.45,147.37,147.33,147.24,147.20,147.07,146.64,146.30,146.19,145.72,145.62,145.50,145.12,145.03,144.71,144.52,144.29,144.16,143.97,143.73,143.62,143.41,143.33,143.17,143.07,142.78,142.24,141.98,141.89,141.60,140.49,140.40,140.11,140.07,139.56,138.98,138.24,130.46(CH),130.16(CH),129.88(CH),128.67(CH),128.54(CH),128.08(CH),127.84(CH),127.68(CH),116.56,107.13(CH),106.73(CH),71.06(OCH2),70.64(OCH2),69.26(OCH2),68.98(OCH2),64.76(CH),63.82,59.19(OCH3),57.47;ESI−MS 1135.2[M+Na]+.
1H−NMR(270MHz;CD2Cl2)δ7.46−6.73(m,8H),4.35(s,2H),4.32−4.03(m,4H),2.01−1.91(m,2H),1.73−1.63(m,2H),1.59−1.15(m,28H),0.77(t,6H,6.3Hz);13C−NMR(67.8MHz;CD2Cl2)δ159.71,158.66,157.95,156.87,154.49,149.07,148.78,148.64,148.46,147.95,147.45,147.30,147.20,147.03,146.85,146.65,146.48,146.40,146.21,145.82,145.75,145.57,145.41,145.32,145.23,145.18,144.62,144.53,144.44,144.30,144.24,143.87,143.74,143.51,143.25,143.14,143.00,142.84,142.76,142.72,142.50,142.42,141.98,141.81,141.69,141.52,141.16,139.30,139.24,138.53,138.40,138.33,137.60,137.13,136.62,132.53(CH),130.96(CH),130.53(CH),129.8(CH),128.29(CH),128.07(CH),127.57(CH),127.05(CH),119.30,116.42,1106.43(CH),106.12(CH),70.12(OCH2),69.58,68.55,60.24,57.77,48.63(Bn−CH2),47.94(Bn−CH2),32.28(CH2),30.16(CH2),30.12(CH2),30.06(CH2),30.01(CH2),29.98(CH2),29.84(CH2),29.76(CH2),29.73(CH2),29.63(CH2),27.43(CH2),27.09(CH2),23.09(CH2),14.28(CH3);FD−MS 1201.8[M]+.
1H−NMR(270MHz;CD2Cl2)δ7.38−7.32(m,1H),6.83−6.74(m,2H),4.23−4.13(m,4H),3.15−3.09(m,1H),2.83−2.80(m,1H),2.08−1.14(br,40H),0.83−0.74(m,9H);13C−NMR(67.8MHz;CD2Cl2)δ160.09,159.55,159.09,159.02,156.95,154.42,149.10,149.06,148.84,148.79,148.73,148.60,148.46,148.04,147.47,147.38,147.26,147.17,146.98,146.90,146.82,146.67,146.49,146.39,146.25,146.04,145.81,145.78,145.61,145.56,145.47,145.37,145.29,145.24,145.02,144.60,144.55,144.51,144.38,144.23,144.15,143.83,143.74,143.50,143.33,143.29,143.26,143.19,143.15,143.02,142.86,142.75,142.70,142.54,142.03,141.89,141.76,141.66,141.44,140.45,140.04,139.51,139.24,138.71,138.40,137.19,136.99,130.3(CH),129.88(CH),119.40,116.86,106.33(CH),106.16(CH),70.06(OCH2),68.29,68.22,59.71,57.86,42.47(CH2),42.30(CH2),32.29(CH2),30.31(CH2),30.12(CH2),30.08(CH2),29.98(CH2),29.95(CH2),29.83(CH2),29.75(CH2),29.62(CH2),27.51(CH2),27.38(CH2),27.07(CH2),23.09(CH2),23.01(CH2),22.95(CH2),14.31(CH3);FD−MS 1195.8[M]+.
1H−NMR(300MHz;CDCl3)δ6.39(s,1H),3.91(s,3H),3.86(t,2H,6.7Hz),3.83(s,3H),3.76(s,3H),1.75(m,2H),1.49−1.25(m,8H),0.90(t,3H,6.7Hz);13C−NMR(75.5MHz;CDCl3)δ155.65,154.98,153.95,153.68,150.17,148.67,148.55,148.25,147.02,146.92,146.65,145.27,145.05,144.59,144.18,144.00,143.65,143.59,143.28,142.93,142.84,142.73,142.46,142.38,141.30,140.48,140.20,139.09,137.34,136.54,114.89,93.29(CH),73.67(OCH2),60.86(OCH3),56.41,55.99(OCH3),55.77(OCH3),31.90(CH2),30.34(CH2),29.21(CH2),26.07(CH2),22.66(CH2),14.13(CH3);MALDI−TOF−MS 1282.3[M]+.
1H−NMR(270MHz;CDCl3)δ6.39(s,1H),4.04(t,2H,4.6Hz),3.92(s,3H),3.83(s,3H),3.79(s,3H),3.72(t,2H,4.7Hz),3.52(t,2H,6.6Hz),1.6(m,2H),1.39(m,2H),0.92(t,3H,7.3Hz);13C−NMR(67.8MHz;CDCl3)δ155.79,154.92,153.90,153.60,150.08,148.65,148.51,148.16,146.97,146.87,146.61,145.24,145.00,144.55,144.17,143.96,143.60,143.54,143.24,142.89,142.79,142.69,142.41,142.33,141.28,140.43,139.12,137.31,136.09,114.75,93.14(CH),72.32(OCH2),71.10(OCH2),70.00(OCH2),60.93(OCH3),56.33,56.00(OCH3),55.65(OCH3),31.84(CH2),19.32(CH2),13.97(CH3);MALDI−TOF−MS 1286.3[M]+.
テトラブチルアンモニウム化塩素酸塩のオルトジクロロベンゼン0.1M溶液50mLにフェロセン3.87mgを添加し測定溶液を調製した。この溶液2mLにフラーレン誘導体を1.5mg添加し掃引速度20mV/sにて酸化還元電位をALS製エレクトロケミカルアナライザーモデル630Aにて測定した。第一還元電位(mV)を表1に示した。表1に示したように、本発明によるフラーレン誘導体は、従来型フラーレン誘導体(PCBM)に比べ大きな第一還元電位を示した。
洗浄した15Ω/cm2の面抵抗を持つITOをスパッタ法により成膜したガラス基板上に、Baytron P(H.C.Stark社製)を5000rpm(50s)でスピンコートし、200℃で10分乾燥した。分子量17500のポリ(3−ヘキシルチオフェン)(アルドリッチ社製)とフラーレン誘導体1cを重量比1.0:0.5で混合し、1cの濃度が1wt%となるようにクロロベンゼンに溶解させた。前記基板上に、前記混合溶液を1000rpm(50s)でスピンコートし、光電変換層を形成した。光電変換層を形成したITO/ガラス基板を窒素下150℃で6分間加熱した後、チタンテトライソプロポキシドを4000rpmでスピンコートし、30分間静置した。さらに約10−5torrの真空下でAlを100nm蒸着して対極を形成し、光電変換デバイスを得た。得られた光電変換デバイスを、100mW/cm2擬似太陽光を照射しながら電圧電流特性を測定した。電圧−電流特性から最大効率を計算した。
実施例12と同様の手順で、1cに替えて2cを用いて作成した光電変換デバイスの電圧電流特性を測定し、電圧−電流特性から最大効率を計算した。
実施例12と同様の手順で、1cに替えて3cを用いて作成した光電変換デバイスの電圧電流特性を測定し、電圧−電流特性から最大効率を計算した。
実施例12と同様の手順で、1cに替えて1dを用いて作成した光電変換デバイスの電圧電流特性を測定し、電圧−電流特性から最大効率を計算した。
実施例12と同様の手順で、1cに替えて1eを用いて作成した光電変換デバイスの電圧電流特性を測定し、電圧−電流特性から最大効率を計算した。
Claims (3)
- 一般式(I)で表されるフラーレン誘導体。
(一般式(I)において丸枠付きFLはフラーレンC60又はC70を表し、Donor−Subは、フラーレン核から2結合離れた位置に電子供与性置換原子を少なくとも1個配置した下記構造のいずれかの置換基を表し、Rは水素、Donor−Sub、合計炭素数1以上20以下のアルキル基、シクロアルキル基、アルコキシ基、アルコキシ置換アルキル基、アルコキシ置換アルコキシ基、アルキルチオ置換アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルチオ置換アルキルチオ基、アルコキシ置換アルキルチオ基、ベンジル基またはフェニル基を表し、nは1〜10の整数を表す。
(上記一般式において、Rは合計炭素数1以上20以下のアルキル基、シクロアルキル基、アルコキシ基、アルコキシ置換アルキル基、アルコキシ置換アルコキシ基、アルキルチオ置換アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルチオ置換アルキルチオ基、アルコキシ置換アルキルチオ基、ベンジル基またはフェニル基を示し、結合の一部に不飽和結合を含んでも分岐構造があっても良い。))
- 第一還元電位が1160mV以上であることを特徴とする請求項1に記載のフラーレン誘導体。
- 電子供与性を有するp型共役高分子とn型のフラーレン誘導体を含むヘテロ接合層を有する光電変換素子において、光電変換層に請求項1または2に記載のフラーレン誘導体を用いることを特徴とする光電変換素子。
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