WO2014156718A1 - 光電変換素子、撮像素子、光センサ、光電変換素子の使用方法 - Google Patents
光電変換素子、撮像素子、光センサ、光電変換素子の使用方法 Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to a photoelectric conversion element, an imaging element, an optical sensor, and a method for using the photoelectric conversion element.
- a conventional optical sensor is an element in which a photodiode (PD) is formed in a semiconductor substrate such as silicon (Si).
- PD photodiode
- Si silicon
- signal charges generated in each PD are arranged in two dimensions. Are widely used.
- a structure in which a color filter that transmits light of a specific wavelength is arranged on the light incident surface side of the flat solid-state imaging device is generally used.
- Color filters that transmit blue (B) light, green (G) light, and red (R) light are regularly arranged on each two-dimensionally arranged PD that is currently widely used in digital cameras and the like.
- Single-plate solid-state imaging devices are well known. In this single-plate solid-state imaging device, the light that has not passed through the color filter is not used and the light use efficiency is poor. In recent years, as the number of pixels has increased, the pixel size has been reduced, and a decrease in aperture ratio and a decrease in light collection efficiency have become problems.
- Patent Document 1 discloses an imaging device using a photoelectric conversion film using a quinacridone compound.
- An object of this invention is to provide the photoelectric conversion element which shows the outstanding photoelectric conversion efficiency and responsiveness in view of the said situation.
- Another object of the present invention is to provide an image sensor and a photosensor including a photoelectric conversion element.
- the present inventors have found that the above problems can be solved by using a photoelectric conversion film containing a compound having a predetermined structure, and have completed the present invention. That is, the above problems can be solved by the following means.
- the photoelectric conversion material is selected from the group consisting of a compound represented by general formula (1) described later, a compound represented by general formula (2) described later, and a compound represented by general formula (3) described later.
- the photoelectric conversion material includes at least one selected from the group consisting of a compound represented by general formula (12) described later and a compound represented by (13) described later. Photoelectric conversion element.
- R 1 and R 2 are an aryl group which may have a substituent or a heteroaryl group which may have a substituent, (1) or The photoelectric conversion element as described in (2).
- at least one of R 1 and R 2 is a group represented by the following general formula (14) The photoelectric conversion element as described.
- R 30 and R 31 , R 30 and R 32 , or R 31 and R 32 are bonded to each other directly or via a linking group to form a ring, (4 ).
- (11) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (10), wherein the photoelectric conversion film further contains an organic n-type compound.
- a conductive film, a charge blocking film, a photoelectric conversion film, and a transparent conductive film are provided in this order, or the conductive film, the photoelectric conversion film, the charge blocking film, and the transparent conductive film
- the photoelectric conversion element which shows the outstanding photoelectric conversion efficiency and responsiveness can be provided.
- the image pick-up element and optical sensor containing a photoelectric conversion element can be provided.
- FIG. 1A and FIG. 1B are schematic cross-sectional views each showing a configuration example of a photoelectric conversion element. It is a cross-sectional schematic diagram for 1 pixel of an image pick-up element.
- FIG. 1A the cross-sectional schematic diagram of one Embodiment of the photoelectric conversion element of this invention is shown.
- a photoelectric conversion element 10a shown in FIG. 1A includes a conductive film (hereinafter also referred to as a lower electrode) 11 that functions as a lower electrode, an electron blocking film 16A formed on the lower electrode 11, and an electron blocking film 16A.
- the photoelectric conversion film 12 formed above and a transparent conductive film (hereinafter also referred to as an upper electrode) 15 functioning as an upper electrode are stacked in this order.
- FIG. 1B shows a configuration example of another photoelectric conversion element.
- FIGS. 1A and 1B has a configuration in which an electron blocking film 16A, a photoelectric conversion film 12, a hole blocking film 16B, and an upper electrode 15 are laminated on the lower electrode 11 in this order.
- the stacking order of the electron blocking film 16A, the photoelectric conversion film 12, and the hole blocking film 16B in FIGS. 1A and 1B may be reversed depending on the application and characteristics. For example, the positions of the electron blocking film 16A and the photoelectric conversion film 12 may be reversed.
- the photoelectric conversion element 10 a (10 b) it is preferable that light is incident on the photoelectric conversion film 12 through the transparent conductive film 15. Moreover, when using the photoelectric conversion element 10a (10b), an electric field can be applied. In this case, it is preferable that the conductive film 11 and the transparent conductive film 15 form a pair of electrodes, and an electric field of 1 ⁇ 10 ⁇ 5 to 1 ⁇ 10 7 V / cm is applied between the pair of electrodes. From the viewpoint of performance and power consumption, an electric field of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 to 1 ⁇ 10 6 V / cm is preferable, and an electric field of 1 ⁇ 10 ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 5 V / cm is particularly preferable.
- the photoelectric conversion film 12 is selected from the group consisting of a compound represented by the following general formula (1), a compound represented by the general formula (2), and a compound represented by the general formula (3) as a photoelectric conversion material. A membrane comprising at least one selected. By using this compound, a photoelectric conversion element exhibiting excellent photoelectric conversion efficiency and responsiveness can be obtained. First, the compounds represented by the general formulas (1) to (3) used in the photoelectric conversion film 12 will be described in detail.
- R 1 and R 2 each independently represents a substituent.
- the substituent include a substituent W described later.
- the substituent may have an alkyl group that may have a substituent, an amino group that may have a substituent (for example, a diarylamino group), or a substituent.
- An aryl group for example, an aryl group having an alkoxy group, a group represented by formula (14) described later, a group represented by formula (18) described later, a group represented by formula (15) described later ), Or a heteroaryl group which may have a substituent.
- an aryl group which may have a substituent in terms of more excellent characteristics (photoelectric conversion efficiency or responsiveness) of the photoelectric conversion element hereinafter, also simply referred to as “a more excellent effect of the present invention” or A heteroaryl group which may have a substituent is preferable.
- the number of carbon atoms in the alkyl group is not particularly limited, but is preferably 1 to 10, more preferably 1 to 6, and further preferably 1 to 3 in terms of more excellent characteristics (photoelectric conversion efficiency or responsiveness) of the photoelectric conversion element.
- the alkyl group may have a linear, branched or cyclic structure. Preferred examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, and an n-hexyl group. In addition, the alkyl group may have the substituent W mentioned later.
- the amino group may be an unsubstituted amino group or an amino group having a substituent.
- the amino group having a substituent is more excellent in terms of the characteristics of the photoelectric conversion element (photoelectric conversion efficiency or responsiveness).
- Group is preferable, and a diarylamino group is particularly preferable.
- the definition of the aryl group contained in the diarylamino group is the same as the definition of the aryl group described later.
- the number of carbon atoms in the aryl group is not particularly limited, but is preferably 6 to 30, and more preferably 6 to 18 in terms of more excellent characteristics (photoelectric conversion efficiency or responsiveness) of the photoelectric conversion element.
- the aryl group may be a monocyclic structure or a condensed ring structure in which two or more rings are condensed, and may have a substituent W described later.
- aryl group examples include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, a pyrenyl group, a phenanthrenyl group, a biphenyl group, a fluorenyl group, and the like, and a phenyl group, a naphthyl group, or an anthryl group is preferable.
- the number of carbon atoms in the heteroaryl group is not particularly limited, but is preferably 3 to 30 in terms of more excellent characteristics of the photoelectric conversion element (photoelectric conversion efficiency or responsiveness). 18 is more preferred.
- the heteroaryl group may have a substituent W described later.
- the heteroaryl group includes a heteroatom other than a carbon atom and a hydrogen atom. Examples of the heteroatom include a nitrogen atom, a sulfur atom, an oxygen atom, a selenium atom, a tellurium atom, a phosphorus atom, a silicon atom, or a boron atom. And a nitrogen atom, a sulfur atom, or an oxygen atom is preferable.
- the number of heteroatoms contained in the heteroaryl group is not particularly limited and is usually about 1 to 10, and preferably 1 to 4.
- the number of ring members of the heteroaryl group is not particularly limited, but is preferably a 3- to 8-membered ring, more preferably a 5- to 7-membered ring, and particularly preferably a 5- to 6-membered ring.
- heteroaryl groups include pyridyl, quinolyl, isoquinolyl, acridinyl, phenanthridinyl, pteridinyl, pyrazinyl, quinoxalinyl, pyrimidinyl, quinazolyl, pyridazinyl, cinnolinyl, phthalazinyl, Triazinyl group, oxazolyl group, benzoxazolyl group, thiazolyl group, benzothiazolyl group, imidazolyl group, benzoimidazolyl group, pyrazolyl group, indazolyl group, isoxazolyl group, benzisoxazolyl group, isothiazolyl group, benzoisothiazolyl group, oxadiazolyl Group, thiadiazolyl group, triazolyl group, tetrazolyl group, furyl group, benzofuryl group, thienyl group, be
- R 1 and R 2 may be different groups, but are the same substituent (the same type of substituent) in that the characteristics (photoelectric conversion efficiency or responsiveness) of the photoelectric conversion element are more excellent. It is preferable.
- R ⁇ 1 > and R ⁇ 2 > group represented by General formula (14) is mentioned. It is preferable that at least one of R 1 and R 2 is a group represented by the general formula (14).
- R 30 and R 31 each independently represents an alkyl group, an aryl group that may have a substituent, or a heteroaryl group that may have a substituent.
- the definitions of the alkyl group, aryl group and heteroaryl group are as described above.
- R 32 represents an arylene group which may have a substituent or a heteroarylene group which may have a substituent. Note that * 5 indicates a coupling position.
- the number of carbon atoms in the arylene group is not particularly limited, but is preferably 6 to 30, and more preferably 6 to 20 in terms of more excellent characteristics (photoelectric conversion efficiency or responsiveness) of the photoelectric conversion element.
- the arylene group include phenylene group, biphenylene group, terphenylene group, naphthylene group, anthrylene group, phenanthrylene group, pyrenediyl group, perylenediyl group, fluorenediyl group, chrysenediyl group, triphenylenediyl group, benzoanthracenediyl group, benzoic group
- Examples include phenanthrene diyl group.
- the number of carbon atoms in the heteroarylene group is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 and more preferably 2 to 12 in terms of more excellent characteristics (photoelectric conversion efficiency or responsiveness) of the photoelectric conversion element.
- the heteroarylene group include a pyridylene group, a quinolylene group, an isoquinolylene group, an acridinediyl group, a phenanthridinediyl group, a pyrazinediyl group, a quinoxalinediyl group, a pyrimidinediyl group, a triazinediyl group, an imidazolediyl group, a pyrazolediyl group, Examples thereof include an oxadiazole diyl group, a triazole diyl group, a furylene group, a thienylene group, a benzothienylene group, a thienothienylene group, a pyrrole diyl group
- R 30 to R 32 may be connected to each other to form a ring.
- R 30 and R 31 , R 30 and R 32 , and R 31 and R 32 are preferably bonded to each other directly or via a linking group to form a ring. It is more preferable to form a ring through a linking group in terms of more excellent photoelectric conversion efficiency or responsiveness.
- the structure of the linking group is not particularly limited.
- An alkylene group, a silylene group, an alkenylene group, a cycloalkylene group, a cycloalkenylene group, an arylene group, and the like are preferable, and an alkylene group is more preferable.
- a further preferred embodiment of R 1 and R 2 includes a group represented by the general formula (18). It is preferable that at least one of R 1 and R 2 is a group represented by the general formula (18).
- R 31 represents an alkyl group, an aryl group that may have a substituent, or a heteroaryl group that may have a substituent.
- the definition of R 31 is as described above.
- R 32 represents an arylene group which may have a substituent or a heteroarylene group which may have a substituent.
- the definition of R 32 is as described above.
- R 33 to R 37 each independently represents a hydrogen atom or a substituent.
- the definition and preferred embodiment of the substituent are the same as the definition and preferred embodiment of the substituent represented by R 1 and R 2 described above. Note that * 5 indicates a coupling position.
- R 33 and R 32 , R 37 and R 31 , and R 31 and R 32 may be connected to each other to form a ring.
- R 37 and R 31 , R 32 and R 33 , and R 32 and R 31 are preferably bonded to each other directly or via a linking group to form a ring. It is more preferable to form a ring through a linking group in terms of more excellent photoelectric conversion efficiency or responsiveness.
- the definition of the linking group is as described above.
- a further preferred embodiment of R 1 and R 2 includes a group represented by the general formula (15). It is preferable that at least one of R 1 and R 2 is a group represented by the general formula (15).
- R 33 to R 42 each independently represents a hydrogen atom or a substituent.
- the definition and preferred embodiment of the substituent are the same as the definition and preferred embodiment of the substituent represented by R 1 and R 2 described above.
- R 32 represents an arylene group which may have a substituent or a heteroarylene group which may have a substituent.
- the definition of R 32 is as described above. Note that * 5 indicates a coupling position.
- R 37 and R 38 , R 32 and R 33 , R 32 and R 42 may be connected to each other to form a ring. In the bonding, R 37 and R 38 , R 32 and R 33 , R 32 and R 42 are preferably bonded to each other directly or via a linking group to form a ring. It is more preferable to form a ring through a linking group in terms of more excellent photoelectric conversion efficiency or responsiveness.
- the definition of the linking group is as described above.
- X 1 and X 2 are each independently an oxygen atom, a sulfur atom, ⁇ CR 1a R 1b , or ⁇ NR 1c .
- Y 1 and Y 2 are each independently an oxygen atom, a sulfur atom,> CR 1d R 1e , or> SiR 1f R 1g .
- R 1a to R 1g each independently represents a hydrogen atom or a substituent. Examples of the substituent include the substituent W described later, and examples thereof include an alkyl group.
- the compound represented by General formula (12) and the compound represented by General formula (13) are preferable at the point which the effect of this invention is more excellent.
- the definition of each group in General formula (12) and (13) is as above-mentioned.
- Q is any one selected from the group consisting of groups represented by general formulas (4) to (8).
- R 3 to R 24 each independently represents a hydrogen atom or a substituent.
- the substituent include the substituent W described later, and examples thereof include an alkyl group, an alkoxy group, and a halogen atom.
- R 3 to R 24 are preferably hydrogen atoms in terms of more excellent characteristics (photoelectric conversion efficiency or responsiveness) of the photoelectric conversion element.
- n 0 or 1. Especially, it is preferable that n is 0 at the point which the characteristic (photoelectric conversion efficiency or responsiveness) of a photoelectric conversion element is more excellent.
- n 1
- the compounds represented by the general formulas (4A) to (8C) are exemplified.
- the carbon atom indicated by * 1 and the carbon atom indicated by * 3 are the same carbon atom, and the carbon atom indicated by * 2 and the carbon atom indicated by * 4 are the same.
- Becomes a carbon element. That is, in the general formulas (1) to (3), when n 0, the compounds represented by the following general formulas (9) to (11) are represented.
- the definitions of the groups in the general formulas (9) to (11) are as described above.
- R 43 and R 44 are each independently an aryl group which may have a substituent or a heteroaryl group which may have a substituent, at least one of which is the above-mentioned
- the group represented by the general formula (14) is the definition of an aryl group and heteroaryl group.
- R 45 and R 46 are each independently an aryl group which may have a substituent or a heteroaryl group which may have a substituent, at least one of which is the above-mentioned
- the group represented by the general formula (14) is the definition of an aryl group and heteroaryl group.
- substituent W includes a halogen atom, an alkyl group (including a cycloalkyl group, a bicycloalkyl group, and a tricycloalkyl group), an alkenyl group (including a cycloalkenyl group and a bicycloalkenyl group), an alkynyl group, an aryl group, and a heterocyclic ring.
- substituent W include a halogen atom, an alkyl group (including a cycloalkyl group, a bicycloalkyl group, and a tricycloalkyl group), an alkenyl group (including a cycloalkenyl group and a bicycloalkenyl group), an alkynyl group, an aryl group, and a heterocyclic ring.
- Group may be referred to as a heterocyclic group
- cyano group may be referred to as a heterocyclic group
- cyano group may be referred to as a heterocyclic group
- acyloxy group carbamoyloxy group, alkoxycarbonyloxy group
- Aryloxycarbonyloxy group amino group (including anilino group), ammonio group, acylamino group, aminocarbonylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfamoylamino group, alkyl or arylsulfonylamino Group, mercapto group, alkylthio group, arylthio group, heterocyclic thio group, sulfamoyl group, sulfo group, alkyl or arylsulfinyl group, alkyl or arylsulfonyl group, acyl group, aryloxycarbony
- Examples of the compounds represented by the general formulas (1) to (3) are shown below.
- the compounds represented by the general formulas (1) to (3) may be used alone or in combination of two or more.
- the compound represented by the general formula (1), the compound represented by the general formula (2), and the compound represented by the general formula (3) are UV-visible.
- the peak wavelength (absorption maximum wavelength) of the absorption spectrum is more preferably 450 nm or more and 700 nm or less, more preferably 480 nm or more and 700 nm or less, and more preferably 510 nm or more and 680 nm or less from the viewpoint of widely absorbing light in the visible region. Particularly preferred.
- the absorption maximum wavelength of the compound can be measured using a UV-2550 made by Shimadzu Corporation with a chloroform solution of the compound. Concentration of the chloroform solution is preferably from 5 ⁇ 10 -5 ⁇ 1 ⁇ 10 -7 mol / l, more preferably 3 ⁇ 10 -5 ⁇ 2 ⁇ 10 -6 mol / l, 2 ⁇ 10 -5 ⁇ 5 ⁇ 10 - 6 mol / l is particularly preferred.
- Compound X preferably has an absorption maximum at 400 nm or more and less than 720 nm in the ultraviolet-visible absorption spectrum, and the molar extinction coefficient at the absorption maximum wavelength is preferably 10,000 mol ⁇ 1 ⁇ l ⁇ cm ⁇ 1 or more.
- a material having a large molar extinction coefficient is preferable. More preferably 20000mol -1 ⁇ l ⁇ cm -1 or more molar extinction coefficient of the compound X, more preferably 40000mol -1 ⁇ l ⁇ cm -1 or more.
- the molar extinction coefficient of Compound X is measured with a chloroform solution.
- the difference between the melting point and the deposition temperature (melting point ⁇ deposition temperature) is preferably 40 ° C. or higher, more preferably 50 ° C. or higher, still more preferably 60 ° C. or higher, and particularly preferably 80 ° C. or higher.
- the molecular weight of the compound X is preferably 300 to 1500, more preferably 500 to 1000, and particularly preferably 500 to 900. If the molecular weight of the compound X is 1500 or less, the deposition temperature does not increase and the compound is hardly decomposed. If the molecular weight of the compound X is 300 or more, the glass transition point of the deposited film is not lowered, and the heat resistance of the device is hardly lowered.
- the glass transition point (Tg) of Compound X is preferably 95 ° C. or higher, more preferably 110 ° C. or higher, further preferably 135 ° C. or higher, particularly preferably 150 ° C. or higher, and most preferably 160 ° C. or higher.
- a high glass transition point is preferable because the heat resistance of the device is improved.
- Compound X is particularly useful as a material for a photoelectric conversion film used in an image sensor, an optical sensor, or a photovoltaic cell.
- compound X functions as an organic p-type compound in the photoelectric conversion film.
- it can also be used as a coloring material, liquid crystal material, organic semiconductor material, organic light emitting device material, charge transport material, pharmaceutical material, fluorescent diagnostic material, and the like.
- the photoelectric conversion film may further contain a photoelectric conversion material of an organic p-type compound or an organic n-type compound.
- An organic p-type compound is a donor-type organic compound (semiconductor), and is mainly represented by a hole-transporting organic compound, which means an organic compound having a property of easily donating electrons. More specifically, an organic compound having a smaller ionization potential when two organic materials are used in contact with each other. Therefore, any organic compound can be used as the donor organic compound as long as it is an electron-donating organic compound.
- a triarylamine compound a benzidine compound, a pyrazoline compound, a styrylamine compound, a hydrazone compound, a triphenylmethane compound, a carbazole compound, or the like can be used.
- the organic n-type compound is an acceptor organic semiconductor, and is typically an organic compound represented by an electron transporting organic compound and having a property of easily accepting electrons. More specifically, the organic compound having the higher electron affinity when two organic compounds are used in contact with each other. Therefore, any organic compound may be used as the acceptor organic semiconductor as long as it is an organic compound having an electron accepting property.
- fullerene or fullerene derivatives condensed aromatic carbocyclic compounds (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, fluoranthene derivatives), nitrogen atoms, oxygen atoms, sulfur atoms containing 5 to 5 7-membered heterocyclic compounds (eg, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, triazine, quinoline, quinoxaline, quinazoline, phthalazine, cinnoline, isoquinoline, pteridine, acridine, phenazine, phenanthroline, tetrazole, pyrazole, imidazole, thiazole, oxazole, indazole , Benzimidazole, benzotriazole, benzoxazole, benzothiazole, carb
- the organic n-type compound is preferably fullerene or a fullerene derivative.
- Fullerene is fullerene C 60 , fullerene C 70 , fullerene C 76 , fullerene C 78 , fullerene C 80 , fullerene C 82 , fullerene C 84 , fullerene C 90 , fullerene C 96 , fullerene C 240 , fullerene C 540 , or Represents mixed fullerene, and the fullerene derivative represents a compound having a substituent added thereto.
- the substituent an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group is preferable.
- the fullerene derivative compounds described in JP-A-2007-123707 are preferred.
- the photoelectric conversion film preferably has a bulk heterostructure formed by mixing the compound X and fullerene or a fullerene derivative.
- a bulk heterostructure is a layer in which a p-type organic compound (compound X) and an n-type organic compound are mixed and dispersed in a photoelectric conversion film, and can be formed by either a wet method or a dry method, but is formed by a co-evaporation method. Those that do are preferred.
- the heterojunction structure it is possible to make up for the disadvantage that the carrier diffusion length of the photoelectric conversion film is short, and to improve the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion film.
- the bulk heterojunction structure is described in detail in JP-A-2005-303266, [0013] to [0014].
- the molar ratio of the organic n-type compound to the compound X (organic n-type compound / the compound X) in the photoelectric conversion film is preferably 1.0 or more, more preferably 1 or more and 10 or less, and more preferably 2 or more. More preferably, it is 8 or less.
- the content ratio of fullerenes to the total of the fullerenes selected from the group consisting of fullerenes and derivatives thereof and the above compound X is not particularly limited, and is more than 50% by volume in that the characteristics of the photoelectric conversion element (photoelectric conversion efficiency, responsiveness, etc.) are more excellent. It is preferable that it is 60 to 90% by volume.
- the film thickness in terms of a single layer of compound X is intended to mean the film thickness in terms of a single layer of a compound represented by general formulas (1) to (3), and is represented by, for example, general formula (1).
- the compound represented by the general formula (1) is intended to have a film thickness in terms of a single layer, and the compound represented by the general formula (1) to the general formula (3) Is intended, the total film thickness in terms of a single layer of the three compounds is intended.
- the photoelectric conversion film containing the compound X of the present invention is a non-light-emitting film and has characteristics different from those of an organic electroluminescent element (OLED).
- the non-light-emitting film is a film having an emission quantum efficiency of 1% or less, more preferably 0.5% or less, and still more preferably 0.1% or less.
- the photoelectric conversion film 12 can be formed by a dry film formation method or a wet film formation method.
- the dry film forming method include a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a physical vapor deposition method such as an MBE method, or a CVD method such as plasma polymerization.
- a vacuum vapor deposition method As the wet film forming method, a casting method, a spin coating method, a dipping method, an LB method, or the like is used.
- a dry film forming method is preferred, and a vacuum deposition method is more preferred.
- the production conditions such as the degree of vacuum and the deposition temperature can be set according to conventional methods.
- the photoelectric converting film containing the compound X it is preferable to manufacture by a vapor deposition method.
- the deposition rate is fast (large)
- the productivity becomes higher and preferable, but the thermal load applied to the compound increases. Therefore, when the vapor deposition rate is increased, the dark current characteristics of the manufactured photoelectric conversion element may be deteriorated.
- the compound X when used, even when the deposition rate is increased, the degradation of the dark current characteristics of the produced photoelectric conversion element is small, particularly when it contains a condensed ring structure (for example, in the general formula (14) , R 30 and R 31 , R 30 and R 32 , or R 31 and R 32 are bonded to each other directly or through a linking group to form a ring), the deterioration of dark current characteristics is further suppressed. Is done.
- the fact that the deterioration of dark current characteristics can be suppressed as described above means that the compound itself has high heat resistance.
- the fact that the deposition rate can be increased is intended to increase mass productivity and to have a wide manufacturing latitude (a wide range of applicable deposition rates).
- Compound X is an industrial product. It can be said that it is more suitable for productivity.
- the range of the vapor deposition rate is not particularly limited, but among them, 0.5 ⁇ / sec or more is preferable, 1 ⁇ / sec or more is more preferable, and 2 ⁇ / sec or more is more preferable.
- the thickness of the photoelectric conversion film 12 is preferably 10 nm to 1000 nm, more preferably 50 nm to 800 nm, and particularly preferably 100 nm to 600 nm. By setting it to 10 nm or more, a suitable dark current suppressing effect is obtained, and by setting it to 1000 nm or less, suitable photoelectric conversion efficiency is obtained.
- the electrodes are made of a conductive material.
- a metal, an alloy, a metal oxide, an electrically conductive compound, or a mixture thereof can be used. Since light is incident from the upper electrode 15, the upper electrode 15 needs to be sufficiently transparent to the light to be detected.
- conductive metal oxides such as tin oxide (ATO, FTO) doped with antimony or fluorine, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), Metal thin films such as gold, silver, chromium, nickel, etc., and mixtures or laminates of these metals and conductive metal oxides, inorganic conductive materials such as copper iodide and copper sulfide, organics such as polyaniline, polythiophene, and polypyrrole Examples thereof include conductive materials and laminates of these with ITO. Among these, a transparent conductive metal oxide is preferable from the viewpoint of high conductivity, transparency, and the like.
- the sheet resistance is preferably 100 to 10,000 ⁇ / ⁇ .
- the degree of freedom in the range of film thickness that can be made thin is great.
- the thickness of the upper electrode (transparent conductive film) 15 decreases, the amount of light absorbed decreases, and the light transmittance generally increases.
- An increase in light transmittance is very preferable because it increases the light absorption in the photoelectric conversion film 12 and increases the photoelectric conversion ability.
- the thickness of the upper electrode 15 is preferably 5 to 100 nm, and more preferably 5 to 20 nm. It is desirable.
- the lower electrode 11 may have transparency, or conversely, may use a material that does not have transparency and reflects light.
- conductive metal oxides such as tin oxide (ATO, FTO) doped with antimony or fluorine, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), Metals such as gold, silver, chromium, nickel, titanium, tungsten, and aluminum, and conductive compounds such as oxides and nitrides of these metals (for example, titanium nitride (TiN)), and these metals and conductivity Examples include mixtures or laminates with metal oxides, inorganic conductive materials such as copper iodide and copper sulfide, organic conductive materials such as polyaniline, polythiophene, and polypyrrole, and laminates of these with ITO or titanium nitride. .
- the method for forming the electrode is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the electrode material. Specifically, it can be formed by a wet method such as a printing method or a coating method, a physical method such as a vacuum deposition method, a sputtering method or an ion plating method, or a chemical method such as CVD or plasma CVD method.
- the electrode material is ITO, it can be formed by a method such as an electron beam method, a sputtering method, a resistance heating vapor deposition method, a chemical reaction method (such as a sol-gel method), or a dispersion of indium tin oxide.
- UV-ozone treatment, plasma treatment, or the like can be performed on a film formed using ITO.
- various methods including a reactive sputtering method can be used, and further, UV-ozone treatment, plasma treatment, and the like can be performed.
- the photoelectric conversion element of the present invention may have a charge blocking film. By having this film, the characteristics (photoelectric conversion efficiency, responsiveness, etc.) of the obtained photoelectric conversion element are more excellent.
- the charge blocking film include an electron blocking film and a hole blocking film. Below, each film
- An electron donating organic material can be used for the electron blocking film.
- Porphyrin compounds triazole derivatives, oxadiazole derivatives Imidazole derivatives, polyarylalkane derivatives, pyrazoline derivatives, pyrazolone derivatives, phenylenediamine derivatives, arylamine derivatives, amino-substituted chalcone derivatives, oxazole derivatives, styrylanthracene derivatives, fluorenone derivatives, hydrazone derivatives, silazane derivatives, etc.
- polymers such as phenylene vinylene, fluorene, carbazole, indole, pyrene, pyrrole, picoline, thiophene, acetylene, diacetylene, and derivatives thereof can be used. Any compound having hole transporting properties can be used, specifically, paragraphs [0083] to [0089] of JP-A-2008-72090 and JP-A-2011-176259. [0043] to [0063], [0121] to [0148] of JP2011-228614A, and [0108] to [0156] of JP2011-228615A are preferable.
- the electron blocking film is a compound represented by the general formula (F-1) described in paragraphs [0068] to [0094] of JP2013-0125535A, or JP2011-176259A. It is preferable to contain a compound represented by the general formula (i) described in [0043] to [0063]. The contents thereof are incorporated herein by reference.
- the electron blocking film may be composed of a plurality of films.
- An inorganic material can also be used as the electron blocking film.
- Materials that can be used as electron blocking films include calcium oxide, chromium oxide, chromium copper oxide, manganese oxide, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, gallium copper oxide, strontium copper oxide, niobium oxide, molybdenum oxide, indium copper oxide, and oxide. Examples include indium silver and iridium oxide.
- the layer can be a layer made of an inorganic material, or in the case of a plurality of layers, one or more layers can be a layer made of an inorganic material. .
- An electron-accepting organic material can be used for the hole blocking film.
- electron-accepting materials include 1,3-bis (4-tert-butylphenyl-1,3,4-oxadiazolyl) phenylene (OXD-7) and other oxadiazole derivatives, anthraquinodimethane derivatives, and diphenylquinone derivatives.
- a porphyrin compound or a styryl compound such as DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6- (4- (dimethylaminostyryl))-4H pyran) or a 4H pyran compound can be used.
- DCM dimethylaminostyryl
- a 4H pyran compound can be used.
- compounds described in [0073] to [0078] of JP-A-2008-72090 are preferable.
- the method for producing the charge blocking film is not particularly limited, and the film can be formed by a dry film forming method or a wet film forming method.
- a dry film forming method a vapor deposition method, a sputtering method, or the like can be used.
- the vapor deposition may be either physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD), but physical vapor deposition such as vacuum vapor deposition is preferred.
- PVD physical vapor deposition
- CVD chemical vapor deposition
- the wet film forming method an inkjet method, a spray method, a nozzle printing method, a spin coating method, a dip coating method, a casting method, a die coating method, a roll coating method, a bar coating method, a gravure coating method, etc. can be used. From the viewpoint of high-precision patterning, the inkjet method is preferable.
- the thickness of the charge blocking film is preferably 10 to 200 nm, more preferably 20 to 150 nm, and particularly preferably 30 to 100 nm. This is because if the thickness is too thin, the dark current suppressing effect is lowered, and if it is too thick, the photoelectric conversion efficiency is lowered.
- the photoelectric conversion element may further include a substrate.
- the type of the substrate used is not particularly limited, and a semiconductor substrate, a glass substrate, or a plastic substrate can be used.
- the position of the substrate is not particularly limited, but usually a conductive film, a photoelectric conversion film, and a transparent conductive film are laminated on the substrate in this order.
- the photoelectric conversion element may further include a sealing layer. The performance of photoelectric conversion materials may deteriorate significantly due to the presence of deterioration factors such as water molecules.
- Ceramics such as dense metal oxides, metal nitrides, and metal nitride oxides that do not penetrate water molecules and diamond-like materials Covering and sealing the entire photoelectric conversion film with a sealing layer such as carbon (DLC) can prevent the deterioration.
- the material for the sealing layer may be selected and manufactured according to paragraphs [0210] to [0215] of JP2011-082508A.
- the photoelectric conversion element of the present invention is preferably used as an optical sensor.
- the photoelectric conversion element used alone may be used, or a line sensor in which the photoelectric conversion elements are arranged linearly or a two-dimensional sensor arranged on a plane is preferable.
- the photoelectric conversion element of the present invention converts optical image information into an electrical signal using an optical system and a drive unit like a scanner in a line sensor, and optically converts optical image information like an imaging module in a two-dimensional sensor.
- the system functions as an image sensor by forming an image on a sensor and converting it into an electrical signal.
- the photovoltaic cell is a power generation device, the efficiency of converting light energy into electrical energy is an important performance, but dark current, which is a current in a dark place, is not a functional problem. Further, a subsequent heating step such as installation of a color filter is not necessary. Since it is important for optical sensors to convert light and dark signals to electrical signals with high accuracy, the efficiency of converting light intensity into current is also important, but noise is generated when signals are output in the dark. Low dark current is required. In addition, resistance to subsequent processes is also important.
- An image sensor is an element that converts optical information of an image into an electric signal.
- a plurality of photoelectric conversion elements are arranged on a matrix in the same plane, and an optical signal is converted into an electric signal in each photoelectric conversion element (pixel). That can be output to the outside of the imaging device for each pixel sequentially. Therefore, one pixel is composed of one photoelectric conversion element and one or more transistors.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of an image sensor for explaining an embodiment of the present invention.
- This imaging device is used by being mounted on an imaging device such as a digital camera or a digital video camera, an imaging module such as an electronic endoscope or a mobile phone, or the like.
- This imaging element has a plurality of photoelectric conversion elements having the configuration shown in FIG. 1 and a circuit board on which a readout circuit for reading a signal corresponding to the charge generated in the photoelectric conversion film of each photoelectric conversion element is formed.
- a plurality of photoelectric conversion elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the same surface above the circuit board.
- connection electrode 103 includes a connection electrode 103, a pixel electrode (lower electrode) 104, a connection portion 105, a connection portion 106, a photoelectric conversion film 107, and a counter electrode.
- the pixel electrode 104 has the same function as the lower electrode 11 of the photoelectric conversion element 10a shown in FIG.
- the counter electrode 108 has the same function as the upper electrode 15 of the photoelectric conversion element 10a shown in FIG.
- the photoelectric conversion film 107 has the same configuration as the layer provided between the lower electrode 11 and the upper electrode 15 of the photoelectric conversion element 10a illustrated in FIG.
- the substrate 101 is a glass substrate or a semiconductor substrate such as Si.
- An insulating layer 102 is formed on the substrate 101.
- a plurality of pixel electrodes 104 and a plurality of connection electrodes 103 are formed on the surface of the insulating layer 102.
- the photoelectric conversion film 107 is a layer common to all the photoelectric conversion elements provided on the plurality of pixel electrodes 104 so as to cover them.
- the counter electrode 108 is one electrode provided on the photoelectric conversion film 107 and common to all the photoelectric conversion elements.
- the counter electrode 108 is formed up to the connection electrode 103 disposed outside the photoelectric conversion film 107, and is electrically connected to the connection electrode 103.
- connection part 106 is embedded in the insulating layer 102 and is a plug or the like for electrically connecting the connection electrode 103 and the counter electrode voltage supply part 115.
- the counter electrode voltage supply unit 115 is formed on the substrate 101 and applies a predetermined voltage to the counter electrode 108 via the connection unit 106 and the connection electrode 103.
- the power supply voltage is boosted by a booster circuit such as a charge pump to supply the predetermined voltage.
- the readout circuit 116 is provided on the substrate 101 corresponding to each of the plurality of pixel electrodes 104, and reads out a signal corresponding to the charge collected by the corresponding pixel electrode 104.
- the readout circuit 116 is configured by, for example, a CCD, a CMOS circuit, a TFT circuit, or the like, and is shielded by a light shielding layer (not shown) disposed in the insulating layer 102.
- the readout circuit 116 is electrically connected to the corresponding pixel electrode 104 via the connection unit 105.
- the buffer layer 109 is formed on the counter electrode 108 so as to cover the counter electrode 108.
- the sealing layer 110 is formed on the buffer layer 109 so as to cover the buffer layer 109.
- the color filter 111 is formed at a position facing each pixel electrode 104 on the sealing layer 110.
- the partition wall 112 is provided between the color filters 111 and is for improving the light transmission efficiency of the color filter 111.
- the light shielding layer 113 is formed in a region other than the region where the color filter 111 and the partition 112 on the sealing layer 110 are provided, and prevents light from entering the photoelectric conversion film 107 formed outside the effective pixel region.
- the protective layer 114 is formed on the color filter 111, the partition 112, and the light shielding layer 113, and protects the entire image sensor 100.
- the imaging device 100 when light is incident, the light is incident on the photoelectric conversion film 107, and charges are generated here. Holes in the generated charges are collected by the pixel electrode 104, and a voltage signal corresponding to the amount is output to the outside of the image sensor 100 by the readout circuit 116.
- the manufacturing method of the image sensor 100 is as follows. On the circuit board on which the common electrode voltage supply unit 115 and the readout circuit 116 are formed, the connection units 105 and 106, the plurality of connection electrodes 103, the plurality of pixel electrodes 104, and the insulating layer 102 are formed. The plurality of pixel electrodes 104 are arranged on the surface of the insulating layer 102 in a square lattice pattern, for example.
- a photoelectric conversion film 107 is formed on the plurality of pixel electrodes 104 by, for example, a vacuum heating deposition method.
- the counter electrode 108 is formed on the photoelectric conversion film 107 under vacuum by, for example, sputtering.
- the buffer layer 109 and the sealing layer 110 are sequentially formed on the counter electrode 108 by, for example, a vacuum heating deposition method.
- the protective layer 114 is formed, and the imaging element 100 is completed.
- Compound 18 ′ was synthesized by using p-methoxyiodobenzene in place of iodobenzene in the above scheme (6).
- the obtained oil was purified with a silica gel column (toluene) to obtain Compound 24 ′ (38.2 g, yield 91%).
- Compound 24 ′ (19.0 g, 55.3 mmol) and p-toluenesulfonic acid (0.42 g, 2.21 mmol) were added to toluene (380 mL), and the mixture was cooled to 0 ° C.
- N-bromosuccinimide (9.95 g, 55.9 mmol) was added thereto. After reacting for 1 hour, the temperature was returned to room temperature, water (500 mL) was added thereto, and extraction was performed with ethyl acetate.
- compound 17 (4.20 g, 48% yield) was obtained by dissolving in methylene chloride (300 mL), passing through a silica gel column, and repeating recrystallization from acetonitrile. The obtained compound 17 was subjected to 1 H NMR spectroscopic measurement to identify the compound.
- Compound 31 ′ was synthesized according to the following scheme (11).
- Compound 29 ′ was synthesized by the method described in JP2012-77064.
- Compound 35 ′ was synthesized according to the following scheme (12).
- Compound 32 ′ was synthesized by the method described in JP2012-77064.
- the photoelectric conversion element includes the lower electrode 11, the electron blocking film 16 ⁇ / b> A, the photoelectric conversion film 12, and the upper electrode 15.
- an amorphous ITO film is formed on a glass substrate by sputtering to form the lower electrode 11 (thickness: 30 nm), and the following compound (EB-1) is heated on the lower electrode 11 by vacuum heating.
- An electron blocking film 16A was formed by vapor deposition.
- the above compounds (compounds 1 to 30, exemplary compounds 1 and 2) and fullerene (C 60 ) are each 120 nm in terms of a single layer on the electron blocking film 16A
- a photoelectric conversion film 12 was formed by co-evaporation by vacuum heating deposition so as to have a thickness of 280 nm.
- the above compound was deposited at a deposition rate of 2.6 kg / sec.
- an amorphous ITO film was formed on the photoelectric conversion film 12 by sputtering to form an upper electrode 15 (transparent conductive film) (thickness: 10 nm).
- An SiO film was formed as a sealing layer on the upper electrode 15 by heating vapor deposition, and then an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer was formed thereon by ALCVD to produce a photoelectric conversion element.
- the content ratio of fullerene in the photoelectric conversion film 12 was 70% by volume.
- the photoelectric conversion efficiency was evaluated about each obtained photoelectric conversion element. First, a voltage was applied to the photoelectric conversion element so that the electric field strength was 2.0 ⁇ 10 5 V / cm. Thereafter, the external quantum efficiency at the maximum sensitivity wavelength was measured by irradiating light from the upper electrode (transparent conductive film) side. The external quantum efficiency was measured using an Optel constant energy quantum efficiency measuring device. The amount of light irradiated was 50 uW / cm 2 . Moreover, in order to remove the influence of the reflected light on the surface of the photoelectric conversion element, the external quantum efficiency was determined by dividing the external quantum efficiency at the maximum sensitivity wavelength by the light absorption rate at the maximum sensitivity wavelength.
- the external quantum efficiencies of the examples and comparative examples were determined as relative values when the comparative example 1 was set to 1.0.
- Evaluation criteria are AA for 2.0 or more, A for 1.5 or more and less than 2.0, B for 1.2 or more and less than 1.5, and 0.8 or more and less than 1.2 Was C and less than 0.8 was D.
- the results are shown in Table 1. Practically, B or more is preferable, A or more is more preferable, and AA or more is particularly preferable.
- AA less than 0.1, A A from 0.1 to less than 0.2, B from 0.2 to less than 0.5, B, 0.5 to less than 1.5 Is C and 1.5 or more is D.
- the results are shown in Table 1. Practically, B or more is preferable, A or more is more preferable, and AA or more is particularly preferable.
- the photoelectric conversion element of the present invention exhibits excellent heat resistance and responsiveness.
- the general formulas (1) to (3) at least one of R 1 and R 2 is represented by the general formula (14), and the general formulas (1) to ( 3)
- n is 0, or when R 1 and R 2 are the same substituents in the general formulas (1) to (3)
- the photoelectric conversion efficiency is higher than that of Examples 1 to 7. It was confirmed that both the response speed and the response speed were A, or AA was contained in at least one of them, and the effect was more excellent.
- R 1 and R 2 are represented by the general formula (14), and n in the general formulas (1) to (3) is When it was 0 and R 1 and R 2 were the same substituent, both the photoelectric conversion efficiency and the response speed were AA, and it was confirmed that the effect was more excellent.
- R 1 and R 2 are represented by general formula (14), and R 30 and R 31 have a substituent. In the case of a good aryl group, it was confirmed that the effect was more excellent.
- R 1 and R 2 in the general formulas (1) to (3) are represented by the general formula (14), and in the general formula (14), R 30 to R 32 are respectively When they are connected to each other to form a ring, it was confirmed that the effect is more excellent in the ⁇ dark current when the above compound is vapor-deposited at 5.0 kg / sec> column.
- An image sensor similar to that shown in FIG. 2 was produced. That is, after depositing amorphous TiN 30 nm on the CMOS substrate by sputtering, patterning is performed by photolithography so that one pixel exists on each photodiode (PD) on the CMOS substrate to form the lower electrode. After film formation of the electron blocking material, it was produced in the same manner as in Examples 1 to 30 and Comparative Examples 1 and 2. The evaluation was performed in the same manner, and the same results as in Table 1 were obtained. It was found that the imaging element is suitable for manufacturing and exhibits excellent performance.
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Abstract
本発明は、優れた光電変換効率および応答性を示す光電変換膜を備える光電変換素子、撮像素子、光センサ、光電変換素子の使用方法を提供する。本発明の光電変換素子は、光電変換材料が、一般式(1)で表される化合物、一般式(2)で表される化合物、および、一般式(3)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む。
Description
本発明は、光電変換素子、撮像素子、光センサ、光電変換素子の使用方法に関する。
従来の光センサは、シリコン(Si)などの半導体基板中にフォトダイオード(PD)を形成した素子であり、固体撮像素子としては、PDを2次元的に配列し、各PDで発生した信号電荷を回路で読み出す平面型固体撮像素子が広く用いられている。
カラー固体撮像素子を実現するには、平面型固体撮像素子の光入射面側に、特定の波長の光を透過するカラーフィルタを配した構造が一般的である。現在、デジタルカメラなどに広く用いられている2次元的に配列した各PD上に、青色(B)光、緑色(G)光、赤色(R)光を透過するカラーフィルタを規則的に配した単板式固体撮像素子がよく知られている。
この単板式固体撮像素子においては、カラーフィルタを透過しなかった光が利用されず光利用効率が悪い。近年、多画素化が進む中、画素サイズが小さくなっており、開口率の低下、集光効率の低下が問題になっている。
この単板式固体撮像素子においては、カラーフィルタを透過しなかった光が利用されず光利用効率が悪い。近年、多画素化が進む中、画素サイズが小さくなっており、開口率の低下、集光効率の低下が問題になっている。
これらの欠点を解決するため、アモルファスシリコンによる光電変換膜や光電変換膜を信号読出し用基板上に形成する構造が知られている。
光電変換膜を用いた光電変換素子、撮像素子、光センサについては幾つかの公知例がある。
例えば、特許文献1では、キナクリドン系化合物を使用した光電変換膜を使用した撮像素子が開示されている。
光電変換膜を用いた光電変換素子、撮像素子、光センサについては幾つかの公知例がある。
例えば、特許文献1では、キナクリドン系化合物を使用した光電変換膜を使用した撮像素子が開示されている。
近年、撮像素子や光センサなどの性能向上の要求に伴い、これらに使用される光電変換膜を含む光電変換素子に求められる光電変換効率および応答性などの諸特性に関してもその向上が求められている。
本発明者らは、特許文献1の実施例欄で開示されている化合物(S-9)を使用して光電変換膜の作製を行ったところ、形成された光電変換素子は光電変換効率および応答性の点において必ずしも昨今求められるレベルに達しておらず、さらなる向上が必要であることを見出した。
本発明者らは、特許文献1の実施例欄で開示されている化合物(S-9)を使用して光電変換膜の作製を行ったところ、形成された光電変換素子は光電変換効率および応答性の点において必ずしも昨今求められるレベルに達しておらず、さらなる向上が必要であることを見出した。
本発明は、上記実情に鑑みて、優れた光電変換効率および応答性を示す光電変換素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、光電変換素子を含む撮像素子および光センサを提供することも目的とする。
また、本発明は、光電変換素子を含む撮像素子および光センサを提供することも目的とする。
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、所定の構造を有する化合物を含む光電変換膜を使用することにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、以下に示す手段により上記課題を解決し得る。
すなわち、以下に示す手段により上記課題を解決し得る。
(1) 導電性膜、光電変換材料を含む光電変換膜、および透明導電性膜をこの順で積層してなる光電変換素子であって、
光電変換材料が、後述する一般式(1)で表される化合物、後述する一般式(2)で表される化合物、および、後述する一般式(3)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む、光電変換素子。
(2) 光電変換材料が、後述する一般式(12)で表される化合物および後述する(13)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1つを含む、(1)に記載の光電変換素子。
(3) 一般式(1)~(3)中、R1およびR2が、置換基を有してもよいアリール基または置換基を有してもよいヘテロアリール基である、(1)または(2)に記載の光電変換素子。
(4) 一般式(1)~(3)中、R1およびR2の少なくとも一方が、後述する一般式(14)で表される基である、(1)~(3)のいずれかに記載の光電変換素子。
(5) 一般式(14)中、R30とR31、R30とR32、または、R31とR32が、それぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成する、(4)に記載の光電変換素子。
(6) 一般式(1)~(3)中、R1およびR2の少なくとも一方が、後述する一般式(18)で表される基である、(1)~(5)のいずれかに記載の光電変換素子。
(7) 一般式(1)~(3)中、R1およびR2の少なくとも一方が、後述する一般式(15)で表される基である、(1)~(6)のいずれかに記載の光電変換素子。
(8) 一般式(1)~(3)中、n=0である、(1)~(7)のいずれかに記載の光電変換素子。
(9) 一般式(1)~(3)においてR1とR2が同じ置換基である、(1)~(8)のいずれかに記載の光電変換素子。
(10) R1およびR2の両方が後述する一般式(18)で表される基であり、X1およびX2が酸素原子であり、Y1およびY2が酸素原子であり、n=0であり、R1とR2が同じ置換基である、(6)に記載の光電変換素子。
(11) 光電変換膜が、さらに有機n型化合物を含む、(1)~(10)のいずれかに記載の光電変換素子。
(12) 有機n型化合物が、フラーレンおよびその誘導体からなる群から選択されるフラーレン類を含む、(11)に記載の光電変換素子。
(13) フラーレン類と一般式(1)~(3)で表される化合物との合計に対する、フラーレン類の含有量比(フラーレン類の単層換算での膜厚/(一般式(1)~(3)で表される化合物の単層換算での膜厚+フラーレン類の単層換算での膜厚))が50体積%以上である、(12)に記載の光電変換素子。
(14) 導電性膜と透明導電性膜との間に電荷ブロッキング膜が配置される、(1)~(13)のいずれかに記載の光電変換素子。
(15) 導電性膜と、電荷ブロッキング膜と、光電変換膜と、透明導電性膜とをこの順に備える、または、導電性膜と、光電変換膜と、電荷ブロッキング膜と、透明導電性膜とをこの順に備える、(14)に記載の光電変換素子。
(16) 光が透明導電性膜を介して光電変換膜に入射される、(1)~(15)のいずれかに記載の光電変換素子。
(17) 透明導電性膜が、透明導電性金属酸化物からなる、(1)~(16)のいずれかに記載の光電変換素子。
(18) (1)~(17)のいずれかに記載の光電変換素子を含む撮像素子。
(19) (1)~(17)のいずれかに記載の光電変換素子を含む光センサ。
(20) (1)~(17)のいずれかに記載の光電変換素子の使用方法であって、
導電性膜と透明導電性膜とが一対の電極であり、一対の電極間に1×10-4~1×107V/cmの電場を印加させる、光電変換素子の使用方法。
(21) 後述する一般式(16)で表される化合物。
(22) 後述する一般式(17)で表される化合物。
光電変換材料が、後述する一般式(1)で表される化合物、後述する一般式(2)で表される化合物、および、後述する一般式(3)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む、光電変換素子。
(2) 光電変換材料が、後述する一般式(12)で表される化合物および後述する(13)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1つを含む、(1)に記載の光電変換素子。
(3) 一般式(1)~(3)中、R1およびR2が、置換基を有してもよいアリール基または置換基を有してもよいヘテロアリール基である、(1)または(2)に記載の光電変換素子。
(4) 一般式(1)~(3)中、R1およびR2の少なくとも一方が、後述する一般式(14)で表される基である、(1)~(3)のいずれかに記載の光電変換素子。
(5) 一般式(14)中、R30とR31、R30とR32、または、R31とR32が、それぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成する、(4)に記載の光電変換素子。
(6) 一般式(1)~(3)中、R1およびR2の少なくとも一方が、後述する一般式(18)で表される基である、(1)~(5)のいずれかに記載の光電変換素子。
(7) 一般式(1)~(3)中、R1およびR2の少なくとも一方が、後述する一般式(15)で表される基である、(1)~(6)のいずれかに記載の光電変換素子。
(8) 一般式(1)~(3)中、n=0である、(1)~(7)のいずれかに記載の光電変換素子。
(9) 一般式(1)~(3)においてR1とR2が同じ置換基である、(1)~(8)のいずれかに記載の光電変換素子。
(10) R1およびR2の両方が後述する一般式(18)で表される基であり、X1およびX2が酸素原子であり、Y1およびY2が酸素原子であり、n=0であり、R1とR2が同じ置換基である、(6)に記載の光電変換素子。
(11) 光電変換膜が、さらに有機n型化合物を含む、(1)~(10)のいずれかに記載の光電変換素子。
(12) 有機n型化合物が、フラーレンおよびその誘導体からなる群から選択されるフラーレン類を含む、(11)に記載の光電変換素子。
(13) フラーレン類と一般式(1)~(3)で表される化合物との合計に対する、フラーレン類の含有量比(フラーレン類の単層換算での膜厚/(一般式(1)~(3)で表される化合物の単層換算での膜厚+フラーレン類の単層換算での膜厚))が50体積%以上である、(12)に記載の光電変換素子。
(14) 導電性膜と透明導電性膜との間に電荷ブロッキング膜が配置される、(1)~(13)のいずれかに記載の光電変換素子。
(15) 導電性膜と、電荷ブロッキング膜と、光電変換膜と、透明導電性膜とをこの順に備える、または、導電性膜と、光電変換膜と、電荷ブロッキング膜と、透明導電性膜とをこの順に備える、(14)に記載の光電変換素子。
(16) 光が透明導電性膜を介して光電変換膜に入射される、(1)~(15)のいずれかに記載の光電変換素子。
(17) 透明導電性膜が、透明導電性金属酸化物からなる、(1)~(16)のいずれかに記載の光電変換素子。
(18) (1)~(17)のいずれかに記載の光電変換素子を含む撮像素子。
(19) (1)~(17)のいずれかに記載の光電変換素子を含む光センサ。
(20) (1)~(17)のいずれかに記載の光電変換素子の使用方法であって、
導電性膜と透明導電性膜とが一対の電極であり、一対の電極間に1×10-4~1×107V/cmの電場を印加させる、光電変換素子の使用方法。
(21) 後述する一般式(16)で表される化合物。
(22) 後述する一般式(17)で表される化合物。
本発明によれば、優れた光電変換効率および応答性を示す光電変換素子を提供することができる。
また、本発明によれば、光電変換素子を含む撮像素子および光センサを提供することができる。
また、本発明によれば、光電変換素子を含む撮像素子および光センサを提供することができる。
以下に、本発明の光電変換素子の好適実施態様について説明する。
まず、本発明の従来技術と比較した特徴点について詳述する。
上述したように、本発明においては、所定の構造を有する化合物を含む光電変換膜を使用することにより、所望の効果が得られることを見出している。
まず、本発明の従来技術と比較した特徴点について詳述する。
上述したように、本発明においては、所定の構造を有する化合物を含む光電変換膜を使用することにより、所望の効果が得られることを見出している。
以下に、本発明の光電変換素子の好適実施態様について図面を参照して説明する。図1に、本発明の光電変換素子の一実施形態の断面模式図を示す。
図1(a)に示す光電変換素子10aは、下部電極として機能する導電性膜(以下、下部電極とも記す)11と、下部電極11上に形成された電子ブロッキング膜16Aと、電子ブロッキング膜16A上に形成された光電変換膜12と、上部電極として機能する透明導電性膜(以下、上部電極とも記す)15とがこの順に積層された構成を有する。
図1(b)に別の光電変換素子の構成例を示す。図1(b)に示す光電変換素子10bは、下部電極11上に、電子ブロッキング膜16Aと、光電変換膜12と、正孔ブロッキング膜16Bと、上部電極15とがこの順に積層された構成を有する。なお、図1(a)、図1(b)中の電子ブロッキング膜16A、光電変換膜12、正孔ブロッキング膜16Bの積層順は、用途、特性に応じて逆にしても構わない。例えば、電子ブロッキング膜16Aと光電変換膜12との位置を逆にしてもよい。
図1(a)に示す光電変換素子10aは、下部電極として機能する導電性膜(以下、下部電極とも記す)11と、下部電極11上に形成された電子ブロッキング膜16Aと、電子ブロッキング膜16A上に形成された光電変換膜12と、上部電極として機能する透明導電性膜(以下、上部電極とも記す)15とがこの順に積層された構成を有する。
図1(b)に別の光電変換素子の構成例を示す。図1(b)に示す光電変換素子10bは、下部電極11上に、電子ブロッキング膜16Aと、光電変換膜12と、正孔ブロッキング膜16Bと、上部電極15とがこの順に積層された構成を有する。なお、図1(a)、図1(b)中の電子ブロッキング膜16A、光電変換膜12、正孔ブロッキング膜16Bの積層順は、用途、特性に応じて逆にしても構わない。例えば、電子ブロッキング膜16Aと光電変換膜12との位置を逆にしてもよい。
光電変換素子10a(10b)の構成では、透明導電性膜15を介して光電変換膜12に光が入射されることが好ましい。
また、光電変換素子10a(10b)を使用する場合には、電場を印加することができる。この場合、導電性膜11と透明導電性膜15とが一対の電極をなし、この一対の電極間に、1×10-5~1×107V/cmの電場を印加することが好ましい。性能および消費電力の観点から、1×10-4~1×106V/cmの電場が好ましく、1×10-3~5×105V/cmの電場が特に好ましい。
なお、電圧印加方法については、図1(a)および(b)において、電子ブロッキング膜16A側が陰極であり、光電変換膜12側が陽極となるように印加することが好ましい。光電変換素子10a(10b)を光センサとして使用した場合、また、撮像素子に組み込んだ場合も、同様の方法により電圧の印加を行うことができる。
また、光電変換素子10a(10b)を使用する場合には、電場を印加することができる。この場合、導電性膜11と透明導電性膜15とが一対の電極をなし、この一対の電極間に、1×10-5~1×107V/cmの電場を印加することが好ましい。性能および消費電力の観点から、1×10-4~1×106V/cmの電場が好ましく、1×10-3~5×105V/cmの電場が特に好ましい。
なお、電圧印加方法については、図1(a)および(b)において、電子ブロッキング膜16A側が陰極であり、光電変換膜12側が陽極となるように印加することが好ましい。光電変換素子10a(10b)を光センサとして使用した場合、また、撮像素子に組み込んだ場合も、同様の方法により電圧の印加を行うことができる。
以下に、光電変換素子10a(10b)を構成する各層(光電変換膜12、電子ブロッキング膜16A、下部電極11、上部電極15、正孔ブロッキング膜16Bなど)の態様について詳述する。
まず、光電変換膜12について詳述する。
まず、光電変換膜12について詳述する。
[光電変換膜]
光電変換膜12は、光電変換材料として後述する一般式(1)で表される化合物、一般式(2)で表される化合物、および、一般式(3)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む膜である。該化合物を使用することにより、優れた光電変換効率および応答性を示す光電変換素子が得られる。
まず、光電変換膜12で使用される一般式(1)~(3)で表される化合物について詳述する。
光電変換膜12は、光電変換材料として後述する一般式(1)で表される化合物、一般式(2)で表される化合物、および、一般式(3)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む膜である。該化合物を使用することにより、優れた光電変換効率および応答性を示す光電変換素子が得られる。
まず、光電変換膜12で使用される一般式(1)~(3)で表される化合物について詳述する。
一般式(1)~(3)中、R1およびR2は、それぞれ独立に、置換基を表す。置換基としては後述する置換基Wが挙げられるが、例えば、置換基を有してもよいアルキル基、置換基を有してもよいアミノ基(例えば、ジアリールアミノ基)、置換基を有してもよいアリール基(例えば、アルコキシ基を有するアリール基、後述する式(14)で表される基、後述する式(18)で表される基、後述する式(15)で表される基)、または、置換基を有してもよいヘテロアリール基などが挙げられる。なかでも、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で(以後、単に「本発明の効果がより優れる点」とも称する)、置換基を有してもよいアリール基または置換基を有してもよいヘテロアリール基が好ましい。
アルキル基中の炭素数は特に制限されないが、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、1~10が好ましく、1~6がより好ましく、1~3がさらに好ましい。アルキル基としては、直鎖状、分岐状、環状のいずれの構造であってもよい。
アルキル基として好ましいものは、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n―ブチル基、n-ヘキシル基などが挙げられる。
なお、アルキル基は、後述する置換基Wを有していてもよい。
アルキル基として好ましいものは、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n―ブチル基、n-ヘキシル基などが挙げられる。
なお、アルキル基は、後述する置換基Wを有していてもよい。
アミノ基としては、無置換のアミノ基でも、置換基を有するアミノ基でもよいが、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、置換基を有するアミノ基(置換アミノ基)が好ましく、特に、ジアリールアミノ基が好ましい。
ジアリールアミノ基に含まれるアリール基の定義は、後述するアリール基の定義と同義である。
ジアリールアミノ基に含まれるアリール基の定義は、後述するアリール基の定義と同義である。
アリール基中の炭素数は特に制限されないが、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、6~30が好ましく、6~18がより好ましい。アリール基は、単環構造でも、2環以上の環が縮環した縮合環構造でもよく、後述する置換基Wを有していてもよい。
アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、ピレニル基、フェナントレニル基、ビフェニル基、フルオレニル基などが挙げられ、フェニル基、ナフチル基、またはアントリル基が好ましい。
アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、ピレニル基、フェナントレニル基、ビフェニル基、フルオレニル基などが挙げられ、フェニル基、ナフチル基、またはアントリル基が好ましい。
ヘテロアリール基(1価の芳香族複素環基)中の炭素数は特に制限されないが、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、3~30が好ましく、3~18がより好ましい。ヘテロアリール基は、後述する置換基Wを有していてもよい。
ヘテロアリール基には炭素原子および水素原子以外にヘテロ原子が含まれ、ヘテロ原子としては、例えば、窒素原子、硫黄原子、酸素原子、セレン原子、テルル原子、リン原子、ケイ素原子、またはホウ素原子が挙げられ、窒素原子、硫黄原子、または酸素原子が好ましい。ヘテロアリール基に含まれるヘテロ原子の数は特に制限されず、通常、1~10個程度であり、1~4個が好ましい。
ヘテロアリール基の環員数は特に制限されないが、好ましくは3~8員環であり、さらに好ましくは5~7員環であり、特に好ましくは5~6員環である。
ヘテロアリール基としては、例えば、ピリジル基、キノリル基、イソキノリル基、アクリジニル基、フェナントリジニル基、プテリジニル基、ピラジニル基、キノキサリニル基、ピリミジニル基、キナゾリル基、ピリダジニル基、シンノリニル基、フタラジニル基、トリアジニル基、オキサゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、チアゾリル基、ベンゾチアゾリル基、イミダゾリル基、ベンゾイミダゾリル基、ピラゾリル基、インダゾリル基、イソオキサゾリル基、ベンゾイソオキサゾリル基、イソチアゾリル基、ベンゾイソチアゾリル基、オキサジアゾリル基、チアジアゾリル基、トリアゾリル基、テトラゾリル基、フリル基、ベンゾフリル基、チエニル基、ベンゾチエニル基、チエノチエニル基、ジベンゾフリル基、ジベンゾチエニル基、ピロリル基、インドリル基、イミダゾピリジニル基、カルバゾリル基などが挙げられる。
ヘテロアリール基には炭素原子および水素原子以外にヘテロ原子が含まれ、ヘテロ原子としては、例えば、窒素原子、硫黄原子、酸素原子、セレン原子、テルル原子、リン原子、ケイ素原子、またはホウ素原子が挙げられ、窒素原子、硫黄原子、または酸素原子が好ましい。ヘテロアリール基に含まれるヘテロ原子の数は特に制限されず、通常、1~10個程度であり、1~4個が好ましい。
ヘテロアリール基の環員数は特に制限されないが、好ましくは3~8員環であり、さらに好ましくは5~7員環であり、特に好ましくは5~6員環である。
ヘテロアリール基としては、例えば、ピリジル基、キノリル基、イソキノリル基、アクリジニル基、フェナントリジニル基、プテリジニル基、ピラジニル基、キノキサリニル基、ピリミジニル基、キナゾリル基、ピリダジニル基、シンノリニル基、フタラジニル基、トリアジニル基、オキサゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、チアゾリル基、ベンゾチアゾリル基、イミダゾリル基、ベンゾイミダゾリル基、ピラゾリル基、インダゾリル基、イソオキサゾリル基、ベンゾイソオキサゾリル基、イソチアゾリル基、ベンゾイソチアゾリル基、オキサジアゾリル基、チアジアゾリル基、トリアゾリル基、テトラゾリル基、フリル基、ベンゾフリル基、チエニル基、ベンゾチエニル基、チエノチエニル基、ジベンゾフリル基、ジベンゾチエニル基、ピロリル基、インドリル基、イミダゾピリジニル基、カルバゾリル基などが挙げられる。
なお、R1およびR2は、それぞれ異なる基であってもよいが、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、同じ置換基(同じ種類の置換基)であることが好ましい。
R1およびR2の好適態様としては、一般式(14)で表される基が挙げられる。R1およびR2の少なくとも一方が一般式(14)で表される基であることが好ましい。
一般式(14)中、R30およびR31は、それぞれ独立に、アルキル基、置換基を有してもよいアリール基または置換基を有してもよいヘテロアリール基を表す。アルキル基、アリール基およびヘテロアリール基の定義は、上述の通りである。
R32は、置換基を有してもよいアリーレン基または置換基を有してもよいヘテロアリーレン基を表す。
なお、*5は、結合位置を示す。
R32は、置換基を有してもよいアリーレン基または置換基を有してもよいヘテロアリーレン基を表す。
なお、*5は、結合位置を示す。
アリーレン基中の炭素数は特に制限されないが、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、6~30が好ましく、6~20がより好ましい。
アリーレン基としては、例えば、フェニレン基、ビフェニレン基、ターフェニレン基、ナフチレン基、アントリレン基、フェナントリレン基、ピレンジイル基、ペリレンジイル基、フルオレンジイル基、クリセンジイル基、トリフェニレンジイル基、ベンゾアントラセンジイル基、ベンゾフェナントレンジイル基などが挙げられる。
ヘテロアリーレン基中の炭素数は特に制限されないが、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、1~20が好ましく、2~12がより好ましい。
ヘテロアリーレン基としては、例えば、ピリジレン基、キノリレン基、イソキノリレン基、アクリジンジイル基、フェナントリジンジイル基、ピラジンジイル基、キノキサリンジイル基、ピリミジンジイル基、トリアジンジイル基、イミダゾールジイル基、ピラゾールジイル基、オキサジアゾールジイル基、トリアゾールジイル基、フリレン基、チエニレン基、ベンゾチエニレン基、チエノチエニレン基、ピロールジイル基、インドールジイル基、カルバゾールジイル基などが挙げられる。
アリーレン基としては、例えば、フェニレン基、ビフェニレン基、ターフェニレン基、ナフチレン基、アントリレン基、フェナントリレン基、ピレンジイル基、ペリレンジイル基、フルオレンジイル基、クリセンジイル基、トリフェニレンジイル基、ベンゾアントラセンジイル基、ベンゾフェナントレンジイル基などが挙げられる。
ヘテロアリーレン基中の炭素数は特に制限されないが、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、1~20が好ましく、2~12がより好ましい。
ヘテロアリーレン基としては、例えば、ピリジレン基、キノリレン基、イソキノリレン基、アクリジンジイル基、フェナントリジンジイル基、ピラジンジイル基、キノキサリンジイル基、ピリミジンジイル基、トリアジンジイル基、イミダゾールジイル基、ピラゾールジイル基、オキサジアゾールジイル基、トリアゾールジイル基、フリレン基、チエニレン基、ベンゾチエニレン基、チエノチエニレン基、ピロールジイル基、インドールジイル基、カルバゾールジイル基などが挙げられる。
なお、R30~R32は、それぞれ互いに連結して環を形成してもよい。
なお、結合に際しては、R30とR31、R30とR32、R31とR32はそれぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成することが好ましく、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、連結基を介して環を形成するほうがより好ましい。
なお、連結基の構造は特に制限されないが、例えば、酸素原子、硫黄原子、アルキレン基、シリレン基、アルケニレン基、シクロアルキレン基、シクロアルケニレン基、アリーレン基、2価の複素環基、イミノ基、またはこれらを組み合わせた基が挙げられ、これらは更に置換基を有してもよい。アルキレン基、シリレン基、アルケニレン基、シクロアルキレン基、シクロアルケニレン基、アリーレン基などが好ましく、アルキレン基がより好ましい。
なお、結合に際しては、R30とR31、R30とR32、R31とR32はそれぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成することが好ましく、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、連結基を介して環を形成するほうがより好ましい。
なお、連結基の構造は特に制限されないが、例えば、酸素原子、硫黄原子、アルキレン基、シリレン基、アルケニレン基、シクロアルキレン基、シクロアルケニレン基、アリーレン基、2価の複素環基、イミノ基、またはこれらを組み合わせた基が挙げられ、これらは更に置換基を有してもよい。アルキレン基、シリレン基、アルケニレン基、シクロアルキレン基、シクロアルケニレン基、アリーレン基などが好ましく、アルキレン基がより好ましい。
R1およびR2のさらなる好適態様(一般式(14)で表される基の好適態様)としては、一般式(18)で表される基が挙げられる。R1およびR2の少なくとも一方が一般式(18)で表される基であることが好ましい。
一般式(18)中、R31は、アルキル基、置換基を有してもよいアリール基または置換基を有してもよいヘテロアリール基を表す。R31の定義は、上述の通りである。
R32は、置換基を有してもよいアリーレン基または置換基を有してもよいヘテロアリーレン基を表す。R32の定義は、上述の通りである。
R33~R37は、それぞれ独立に、水素原子、または、置換基を表す。置換基の定義および好適態様は、上述したR1およびR2で表される置換基の定義および好適態様と同じである。
なお、*5は、結合位置を示す。
また、R33とR32、R37とR31、R31とR32はそれぞれ互いに連結して環を形成してもよい。なお、結合に際しては、R37とR31、R32とR33、R32とR31はそれぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成することが好ましく、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、連結基を介して環を形成するほうがより好ましい。連結基の定義は、上述の通りである。
R32は、置換基を有してもよいアリーレン基または置換基を有してもよいヘテロアリーレン基を表す。R32の定義は、上述の通りである。
R33~R37は、それぞれ独立に、水素原子、または、置換基を表す。置換基の定義および好適態様は、上述したR1およびR2で表される置換基の定義および好適態様と同じである。
なお、*5は、結合位置を示す。
また、R33とR32、R37とR31、R31とR32はそれぞれ互いに連結して環を形成してもよい。なお、結合に際しては、R37とR31、R32とR33、R32とR31はそれぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成することが好ましく、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、連結基を介して環を形成するほうがより好ましい。連結基の定義は、上述の通りである。
R1およびR2のさらなる好適態様(一般式(14)で表される基の好適態様)としては、一般式(15)で表される基が挙げられる。R1およびR2の少なくとも一方が一般式(15)で表される基であることが好ましい。
一般式(15)中、R33~R42は、それぞれ独立に、水素原子、または、置換基を表す。置換基の定義および好適態様は、上述したR1およびR2で表される置換基の定義および好適態様と同じである。
R32は、置換基を有してもよいアリーレン基または置換基を有してもよいヘテロアリーレン基を表す。R32の定義は、上述の通りである。
なお、*5は、結合位置を示す。
また、R37とR38、R32とR33、R32とR42はそれぞれ互いに連結して環を形成してもよい。なお、結合に際しては、R37とR38、R32とR33、R32とR42はそれぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成することが好ましく、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、連結基を介して環を形成するほうがより好ましい。連結基の定義は、上述の通りである。
R32は、置換基を有してもよいアリーレン基または置換基を有してもよいヘテロアリーレン基を表す。R32の定義は、上述の通りである。
なお、*5は、結合位置を示す。
また、R37とR38、R32とR33、R32とR42はそれぞれ互いに連結して環を形成してもよい。なお、結合に際しては、R37とR38、R32とR33、R32とR42はそれぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成することが好ましく、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、連結基を介して環を形成するほうがより好ましい。連結基の定義は、上述の通りである。
一般式(1)~(3)中、X1およびX2は、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子、=CR1aR1b、または、=NR1cである。
Y1およびY2は、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子、>CR1dR1e、または>SiR1fR1gである。
R1a~R1gは、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。置換基としては後述する置換基Wが挙げられるが、例えば、アルキル基などが挙げられる。
Y1およびY2は、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子、>CR1dR1e、または>SiR1fR1gである。
R1a~R1gは、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。置換基としては後述する置換基Wが挙げられるが、例えば、アルキル基などが挙げられる。
一般式(1)~(3)中のX1~X2およびY1~Y2は、どのような組み合わせでも構わないが、本発明の効果がより優れる点で、X1=X2かつY1=Y2であることが好ましく、全て酸素原子であることがより好ましい。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、一般式(12)で表される化合物および一般式(13)で表される化合物が好ましい。なお、一般式(12)および(13)中の各基の定義は、上述の通りである。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、一般式(12)で表される化合物および一般式(13)で表される化合物が好ましい。なお、一般式(12)および(13)中の各基の定義は、上述の通りである。
Qは、一般式(4)~(8)で表される基からなる群から選択されるいずれか一つである。
一般式(4)~(8)中、R3~R24は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。置換基としては後述する置換基Wが挙げられるが、例えば、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子などが挙げられる。なかでも、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、R3~R24は水素原子であることが好ましい。
なお、一般式(4)~(8)中の*1~*4で示される炭素原子は、それぞれ、一般式(1)~(3)中の*1~*4で示される炭素原子に対応する。より具体的には、以下に一般式(4)~(8)で表される基が、一般式(1)~(3)中のQに導入された場合の構造式を示す。
nは、0または1を示す。なかでも、光電変換素子の特性(光電変換効率または応答性)がより優れる点で、nは0であることが好ましい。
nが1の場合、上記一般式(4A)~(8C)で表される化合物などが例示される。
なお、nが0の場合、*1で示される炭素原子と*3で示される炭素原子とが同一の炭素原子となり、*2で示される炭素原子と*4で示される炭素原子とが同一の炭素元素となる。つまり、一般式(1)~(3)において、n=0の場合、以下の一般式(9)~(11)で表される化合物を表す。
なお、一般式(9)~(11)中の各基の定義は、上述の通りである。
nが1の場合、上記一般式(4A)~(8C)で表される化合物などが例示される。
なお、nが0の場合、*1で示される炭素原子と*3で示される炭素原子とが同一の炭素原子となり、*2で示される炭素原子と*4で示される炭素原子とが同一の炭素元素となる。つまり、一般式(1)~(3)において、n=0の場合、以下の一般式(9)~(11)で表される化合物を表す。
なお、一般式(9)~(11)中の各基の定義は、上述の通りである。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、一般式(16)で表される化合物および一般式(17)で表される化合物がより好ましい。
一般式(16)中、R43およびR44は、それぞれ独立に、置換基を有してもよいアリール基、または、置換基を有してもよいヘテロアリール基であり、少なくとも一つは上述した一般式(14)で表される基である。
なお、アリール基およびヘテロアリール基の定義は、上述の通りである。
なお、アリール基およびヘテロアリール基の定義は、上述の通りである。
一般式(17)中、R45およびR46は、それぞれ独立に、置換基を有してもよいアリール基、または、置換基を有してもよいヘテロアリール基であり、少なくとも一つは上述した一般式(14)で表される基である。
なお、アリール基およびヘテロアリール基の定義は、上述の通りである。
なお、アリール基およびヘテロアリール基の定義は、上述の通りである。
本明細書における置換基Wについて記載する。
置換基Wとしては、ハロゲン原子、アルキル基(シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、トリシクロアルキル基を含む)、アルケニル基(シクロアルケニル基、ビシクロアルケニル基を含む)、アルキニル基、アリール基、複素環基(ヘテロ環基といってもよい)、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、カルボキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む)、アンモニオ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルファモイルアミノ基、アルキルまたはアリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルまたはアリールスルフィニル基、アルキルまたはアリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールまたはヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基、ヒドラジノ基、ウレイド基、ボロン酸基(-B(OH)2)、ホスファト基(-OPO(OH)2)、スルファト基(-OSO3H)、その他の公知の置換基が挙げられる。
なお、置換基Wの詳細については、特開2007-234651号公報の段落[0023]に記載される。
置換基Wとしては、ハロゲン原子、アルキル基(シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、トリシクロアルキル基を含む)、アルケニル基(シクロアルケニル基、ビシクロアルケニル基を含む)、アルキニル基、アリール基、複素環基(ヘテロ環基といってもよい)、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、カルボキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む)、アンモニオ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルファモイルアミノ基、アルキルまたはアリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルまたはアリールスルフィニル基、アルキルまたはアリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールまたはヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基、ヒドラジノ基、ウレイド基、ボロン酸基(-B(OH)2)、ホスファト基(-OPO(OH)2)、スルファト基(-OSO3H)、その他の公知の置換基が挙げられる。
なお、置換基Wの詳細については、特開2007-234651号公報の段落[0023]に記載される。
以下に、一般式(1)~(3)で表される化合物を例示する。なお、一般式(1)~(3)で表される化合物は、1種のみを使用してもよいし、2種以上を使用してもよい。
一般式(1)で表される化合物、一般式(2)で表される化合物、および、一般式(3)で表される化合物(以後、これらを総称して化合物Xと称する)は紫外可視吸収スペクトルにおいて、400nm以上720nm未満に吸収極大を有することが好ましい。吸収スペクトルのピーク波長(吸収極大波長)は、可視領域の光を幅広く吸収するという観点から450nm以上700nm以下であることがより好ましく、480nm以上700nm以下がさらに好ましく、510nm以上680nm以下であることが特に好ましい。
化合物の吸収極大波長は、化合物のクロロホルム溶液を、島津製作所社製UV-2550を用いて測定することができる。クロロホルム溶液の濃度は5×10-5~1×10-7mol/lが好ましく、3×10-5~2×10-6mol/lがより好ましく、2×10-5~5×10-6mol/lが特に好ましい。
化合物の吸収極大波長は、化合物のクロロホルム溶液を、島津製作所社製UV-2550を用いて測定することができる。クロロホルム溶液の濃度は5×10-5~1×10-7mol/lが好ましく、3×10-5~2×10-6mol/lがより好ましく、2×10-5~5×10-6mol/lが特に好ましい。
化合物Xは、紫外可視吸収スペクトルにおいて400nm以上720nm未満に吸収極大を有し、その吸収極大波長のモル吸光係数が10000mol-1・l・cm-1以上であることが好ましい。光電変換膜の膜厚を薄くし、高い電荷捕集効率、高速応答性、高感度特性の素子とするには、モル吸光係数が大きい材料が好ましい。化合物Xのモル吸光係数としては20000mol-1・l・cm-1以上がより好ましく、40000mol-1・l・cm-1以上がさらに好ましい。化合物Xのモル吸光係数はクロロホルム溶液で測定したものである。
化合物Xは、融点と蒸着温度の差(融点-蒸着温度)の差が大きいほど蒸着時に分解しにくく、高い温度をかけて蒸着速度を大きくすることができる。また、融点と蒸着温度の差(融点-蒸着温度)は40℃以上が好ましく、50℃以上がより好ましく、60℃以上が更に好ましく、80℃以上が特に好ましい。
化合物Xの分子量は、300~1500が好ましく、500~1000がより好ましく、500~900が特に好ましい。化合物Xの分子量が1500以下であれば、蒸着温度が高くならず、化合物の分解が起こりにくい。化合物Xの分子量が300以上であれば蒸着膜のガラス転移点が低くならず、素子の耐熱性が低下しにくい。
化合物Xのガラス転移点(Tg)は、95℃以上が好ましく、110℃以上がより好ましく、135℃以上がさらに好ましく、150℃以上が特に好ましく、160℃以上が最も好ましい。ガラス転移点が高くなると、素子の耐熱性が向上するため好ましい。
化合物Xは、撮像素子、光センサ、または光電池に用いる光電変換膜の材料として特に有用である。なお、通常、化合物Xは、光電変換膜内で有機p型化合物として機能する。また、他の用途として、着色材料、液晶材料、有機半導体材料、有機発光素子材料、電荷輸送材料、医薬材料、蛍光診断薬材料、等としても用いることもできる。
(その他材料)
光電変換膜は、さらに有機p型化合物または有機n型化合物の光電変換材料を含有してもよい。
有機p型化合物(半導体)は、ドナー性有機化合物(半導体)であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは、2つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機化合物は、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物等を用いることができる。
光電変換膜は、さらに有機p型化合物または有機n型化合物の光電変換材料を含有してもよい。
有機p型化合物(半導体)は、ドナー性有機化合物(半導体)であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは、2つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機化合物は、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物等を用いることができる。
有機n型化合物(半導体)とは、アクセプター性有機半導体であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。更に詳しくは、2つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機半導体は、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。好ましくは、フラーレンまたはフラーレン誘導体、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する5~7員のヘテロ環化合物(例えば、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンゾアゼピン、トリベンゾアゼピン等)、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。
上記有機n型化合物としては、フラーレンまたはフラーレン誘導体が好ましい。フラーレンとは、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C80、フラーレンC82、フラーレンC84、フラーレンC90、フラーレンC96、フラーレンC240、フラーレンC540、または、ミックスドフラーレンを表し、フラーレン誘導体とはこれらに置換基が付加された化合物のことを表す。置換基としては、アルキル基、アリール基、または複素環基が好ましい。フラーレン誘導体としては、特開2007-123707号公報に記載の化合物が好ましい。
光電変換膜は、上記化合物Xと、フラーレンまたはフラーレン誘導体とが混合された状態で形成されるバルクヘテロ構造をなしていることが好ましい。バルクヘテロ構造は光電変換膜内で、p型有機化合物(化合物X)とn型有機化合物が混合、分散している層であり、湿式法、乾式法のいずれでも形成できるが、共蒸着法で形成するものが好ましい。へテロ接合構造を含有させることにより、光電変換膜のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換膜の光電変換効率を向上させることができる。なお、バルクへテロ接合構造については、特開2005-303266号公報の[0013]~[0014]等において詳細に説明されている。
光電変換膜における上記化合物Xに対する有機n型化合物のモル比率(有機n型化合物/上記化合物X)は、1.0以上であることが好ましく、1以上10以下であることがより好ましく、2以上8以下であることが更に好ましい。
光電変換膜における、フラーレンおよびその誘導体からなる群から選択されるフラーレン類と上記化合物Xとの合計に対する、フラーレン類の含有量比(フラーレン類の単層換算での膜厚/(化合物Xの単層換算での膜厚+フラーレン類の単層換算での膜厚))は特に制限されず、光電変換素子の特性(光電変換効率、応答性など)がより優れる点で、50体積%以上であることが好ましく、60~90体積%であることがより好ましい。
なお、化合物Xの単層換算での膜厚とは、一般式(1)~(3)で表される化合物の単層換算での膜厚を意図し、例えば、一般式(1)で表される化合物のみが使用されている場合は、一般式(1)で表される化合物の単層換算での膜厚を意図し、一般式(1)で表される化合物~一般式(3)で表される化合物が使用されている場合、3つの化合物の単層換算の合計膜厚を意図する。
光電変換膜における、フラーレンおよびその誘導体からなる群から選択されるフラーレン類と上記化合物Xとの合計に対する、フラーレン類の含有量比(フラーレン類の単層換算での膜厚/(化合物Xの単層換算での膜厚+フラーレン類の単層換算での膜厚))は特に制限されず、光電変換素子の特性(光電変換効率、応答性など)がより優れる点で、50体積%以上であることが好ましく、60~90体積%であることがより好ましい。
なお、化合物Xの単層換算での膜厚とは、一般式(1)~(3)で表される化合物の単層換算での膜厚を意図し、例えば、一般式(1)で表される化合物のみが使用されている場合は、一般式(1)で表される化合物の単層換算での膜厚を意図し、一般式(1)で表される化合物~一般式(3)で表される化合物が使用されている場合、3つの化合物の単層換算の合計膜厚を意図する。
本発明の化合物Xが含まれる光電変換膜(なお、有機n型化合物が混合されていてもよい)は非発光性膜であり、有機電界発光素子(OLED)とは異なる特徴を有する。非発光性膜とは発光量子効率が1%以下の膜の場合であり、0.5%以下であることがより好ましく、0.1%以下であることが更に好ましい。
(成膜方法)
光電変換膜12は、乾式成膜法または湿式成膜法により成膜することができる。乾式成膜法の具体例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、MBE法等の物理気相成長法、または、プラズマ重合等のCVD法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法、LB法等が用いられる。好ましくは乾式成膜法であり、真空蒸着法がより好ましい。真空蒸着法により成膜する場合、真空度、蒸着温度等の製造条件は常法に従って設定することができる。
光電変換膜12は、乾式成膜法または湿式成膜法により成膜することができる。乾式成膜法の具体例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、MBE法等の物理気相成長法、または、プラズマ重合等のCVD法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法、LB法等が用いられる。好ましくは乾式成膜法であり、真空蒸着法がより好ましい。真空蒸着法により成膜する場合、真空度、蒸着温度等の製造条件は常法に従って設定することができる。
なお、化合物Xを含む光電変換膜を製造する際には、蒸着法により製造することが好ましい。
一般的に、蒸着レートが速い(大きい)場合、生産性がより高くなり好ましいが、化合物にかかる熱負荷が大きくなる。そのため、蒸着レートを速めると、製造した光電変換素子の暗電流特性が劣化する場合がある。
それに対して、上記化合物Xを使用すると、蒸着レートを高めても、製造される光電変換素子の暗電流特性の劣化が小さく、特に、縮環構造を含む場合(例えば、一般式(14)中、R30とR31、R30とR32、または、R31とR32が、それぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成する場合)には暗電流特性の劣化がより抑制される。上記のように暗電流特性の劣化が抑えられるということは、化合物自体の耐熱性が高いことを意図する。さらに、蒸着レートを高くできるということは、量産性をより高めることができること、および、製造ラチチュードが広いこと(適用できる蒸着レートの幅が広いこと)を意図しており、化合物Xは工業的な生産性により適しているといえる。
なお、蒸着レートの範囲は特に制限されないが、なかでも、0.5Å/sec以上が好ましく、1Å/sec以上がより好ましく、2Å/sec以上がさらに好ましい。
一般的に、蒸着レートが速い(大きい)場合、生産性がより高くなり好ましいが、化合物にかかる熱負荷が大きくなる。そのため、蒸着レートを速めると、製造した光電変換素子の暗電流特性が劣化する場合がある。
それに対して、上記化合物Xを使用すると、蒸着レートを高めても、製造される光電変換素子の暗電流特性の劣化が小さく、特に、縮環構造を含む場合(例えば、一般式(14)中、R30とR31、R30とR32、または、R31とR32が、それぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成する場合)には暗電流特性の劣化がより抑制される。上記のように暗電流特性の劣化が抑えられるということは、化合物自体の耐熱性が高いことを意図する。さらに、蒸着レートを高くできるということは、量産性をより高めることができること、および、製造ラチチュードが広いこと(適用できる蒸着レートの幅が広いこと)を意図しており、化合物Xは工業的な生産性により適しているといえる。
なお、蒸着レートの範囲は特に制限されないが、なかでも、0.5Å/sec以上が好ましく、1Å/sec以上がより好ましく、2Å/sec以上がさらに好ましい。
光電変換膜12の厚みは、10nm以上1000nm以下が好ましく、50nm以上800nm以下がより好ましく、100nm以上600nm以下が特に好ましい。10nm以上とすることにより、好適な暗電流抑制効果が得られ、1000nm以下とすることにより、好適な光電変換効率が得られる。
[電極]
電極(上部電極(透明導電性膜)15と下部電極(導電性膜)11)は、導電性材料から構成される。導電性材料としては、金属、合金、金属酸化物、電気伝導性化合物、またはこれらの混合物などを用いることができる。
上部電極15から光が入射されるため、上部電極15は検知したい光に対し十分透明であることが必要である。具体的には、アンチモンやフッ素等をドープした酸化錫(ATO、FTO)、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の導電性金属酸化物、金、銀、クロム、ニッケル等の金属薄膜、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、およびこれらとITOとの積層物などが挙げられる。この中で好ましいのは、高導電性、透明性等の点から、透明導電性金属酸化物である。
電極(上部電極(透明導電性膜)15と下部電極(導電性膜)11)は、導電性材料から構成される。導電性材料としては、金属、合金、金属酸化物、電気伝導性化合物、またはこれらの混合物などを用いることができる。
上部電極15から光が入射されるため、上部電極15は検知したい光に対し十分透明であることが必要である。具体的には、アンチモンやフッ素等をドープした酸化錫(ATO、FTO)、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の導電性金属酸化物、金、銀、クロム、ニッケル等の金属薄膜、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、およびこれらとITOとの積層物などが挙げられる。この中で好ましいのは、高導電性、透明性等の点から、透明導電性金属酸化物である。
通常、導電性膜をある範囲より薄くすると、急激な抵抗値の増加をもたらすが、本実施形態に係る光電変換素子を組み込んだ固体撮像素子では、シート抵抗は、好ましくは100~10000Ω/□でよく、薄膜化できる膜厚の範囲の自由度は大きい。また、上部電極(透明導電性膜)15は厚みが薄いほど吸収する光の量は少なくなり、一般に光透過率が増す。光透過率の増加は、光電変換膜12での光吸収を増大させ、光電変換能を増大させるため、非常に好ましい。薄膜化に伴う、リーク電流の抑制、薄膜の抵抗値の増大、透過率の増加を考慮すると、上部電極15の膜厚は、5~100nmであることが好ましく、更に好ましくは5~20nmであることが望ましい。
下部電極11は、用途に応じて、透明性を持たせる場合と、逆に透明を持たせず光を反射させるような材料を用いる場合等がある。具体的には、アンチモンやフッ素等をドープした酸化錫(ATO、FTO)、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の導電性金属酸化物、金、銀、クロム、ニッケル、チタン、タングステン、アルミ等の金属およびこれらの金属の酸化物や窒化物などの導電性化合物(一例として窒化チタン(TiN)を挙げる)、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、およびこれらとITOまたは窒化チタンとの積層物などが挙げられる。
電極を形成する方法は特に限定されず、電極材料に応じて適宜選択することができる。具体的には、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等により形成することができる。
電極の材料がITOの場合、電子ビーム法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法(ゾル-ゲル法など)、酸化インジウムスズの分散物の塗布などの方法で形成することができる。更に、ITOを用いて作製された膜に、UV-オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。電極の材料がTiNの場合、反応性スパッタリング法をはじめとする各種の方法が用いられ、更にUV-オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。
電極の材料がITOの場合、電子ビーム法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法(ゾル-ゲル法など)、酸化インジウムスズの分散物の塗布などの方法で形成することができる。更に、ITOを用いて作製された膜に、UV-オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。電極の材料がTiNの場合、反応性スパッタリング法をはじめとする各種の方法が用いられ、更にUV-オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。
[電荷ブロッキング膜:電子ブロッキング膜、正孔ブロッキング膜]
本発明の光電変換素子は、電荷ブロッキング膜を有していてもよい。該膜を有することにより、得られる光電変換素子の特性(光電変換効率、応答性など)がより優れる。電荷ブロッキング膜としては、電子ブロッキング膜と正孔ブロッキング膜とが挙げられる。以下に、それぞれの膜について詳述する。
本発明の光電変換素子は、電荷ブロッキング膜を有していてもよい。該膜を有することにより、得られる光電変換素子の特性(光電変換効率、応答性など)がより優れる。電荷ブロッキング膜としては、電子ブロッキング膜と正孔ブロッキング膜とが挙げられる。以下に、それぞれの膜について詳述する。
(電子ブロッキング膜)
電子ブロッキング膜には、電子供与性有機材料を用いることができる。具体的には、低分子材料では、N,N’-ビス(3-メチルフェニル)-(1,1’-ビフェニル)-4,4’-ジアミン(TPD)や4,4’-ビス[N-(ナフチル)-N-フェニル-アミノ]ビフェニル(α-NPD)等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、4,4’,4”-トリス(N-(3-メチルフェニル)-N-フェニルアミノ)トリフェニルアミン(m-MTDATA)、ポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポルフィリン化合物、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、シラザン誘導体などを用いることができ、高分子材料では、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の重合体や、その誘導体を用いることができる。電子供与性化合物でなくとも、十分なホール輸送性を有する化合物であれば用いることは可能である。具体的には特開2008-72090号公報の段落[0083]~[0089]、特開2011-176259号公報の[0043]~[0063]、特開2011-228614号公報の[0121]~[0148]、特開2011-228615号公報の[0108]~[0156]に記載の化合物が好ましい。
また、特に、電子ブロッキング膜は特開2013-012535号公報の段落[0068]~[0094]に記載される一般式(F-1)で表される化合物、あるいは特開2011-176259号公報の[0043]~[0063]に記載される一般式(i)で表される化合物を含有することが好ましい。なお、その内容は本明細書に参照として取り込まれる。
電子ブロッキング膜には、電子供与性有機材料を用いることができる。具体的には、低分子材料では、N,N’-ビス(3-メチルフェニル)-(1,1’-ビフェニル)-4,4’-ジアミン(TPD)や4,4’-ビス[N-(ナフチル)-N-フェニル-アミノ]ビフェニル(α-NPD)等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、4,4’,4”-トリス(N-(3-メチルフェニル)-N-フェニルアミノ)トリフェニルアミン(m-MTDATA)、ポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポルフィリン化合物、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、シラザン誘導体などを用いることができ、高分子材料では、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の重合体や、その誘導体を用いることができる。電子供与性化合物でなくとも、十分なホール輸送性を有する化合物であれば用いることは可能である。具体的には特開2008-72090号公報の段落[0083]~[0089]、特開2011-176259号公報の[0043]~[0063]、特開2011-228614号公報の[0121]~[0148]、特開2011-228615号公報の[0108]~[0156]に記載の化合物が好ましい。
また、特に、電子ブロッキング膜は特開2013-012535号公報の段落[0068]~[0094]に記載される一般式(F-1)で表される化合物、あるいは特開2011-176259号公報の[0043]~[0063]に記載される一般式(i)で表される化合物を含有することが好ましい。なお、その内容は本明細書に参照として取り込まれる。
なお、電子ブロッキング膜は、複数膜で構成してもよい。
電子ブロッキング膜としては無機材料を用いることもできる。一般的に、無機材料は有機材料よりも誘電率が大きいため、電子ブロッキング膜に用いた場合に、光電変換膜に電圧が多くかかるようになり、光電変換効率を高くすることができる。電子ブロッキング膜となりうる材料としては、酸化カルシウム、酸化クロム、酸化クロム銅、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化ガリウム銅、酸化ストロンチウム銅、酸化ニオブ、酸化モリブデン、酸化インジウム銅、酸化インジウム銀、酸化イリジウム等がある。電子ブロッキング膜が単層の場合にはその層を無機材料からなる層とすることができ、または、複数層の場合には1つまたは2以上の層を無機材料からなる層とすることができる。
電子ブロッキング膜としては無機材料を用いることもできる。一般的に、無機材料は有機材料よりも誘電率が大きいため、電子ブロッキング膜に用いた場合に、光電変換膜に電圧が多くかかるようになり、光電変換効率を高くすることができる。電子ブロッキング膜となりうる材料としては、酸化カルシウム、酸化クロム、酸化クロム銅、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化ガリウム銅、酸化ストロンチウム銅、酸化ニオブ、酸化モリブデン、酸化インジウム銅、酸化インジウム銀、酸化イリジウム等がある。電子ブロッキング膜が単層の場合にはその層を無機材料からなる層とすることができ、または、複数層の場合には1つまたは2以上の層を無機材料からなる層とすることができる。
(正孔ブロッキング膜)
正孔ブロッキング膜には、電子受容性有機材料を用いることができる。
電子受容性材料としては、1,3-ビス(4-tert-ブチルフェニル-1,3,4-オキサジアゾリル)フェニレン(OXD-7)等のオキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、バソクプロイン、バソフェナントロリン、およびこれらの誘導体、トリアゾール化合物、トリス(8-ヒドロキシキノリナート)アルミニウム錯体、ビス(4-メチル-8-キノリナート)アルミニウム錯体、ジスチリルアリーレン誘導体、シロール化合物などを用いることができる。また、電子受容性有機材料でなくとも、十分な電子輸送性を有する材料ならば使用することは可能である。ポルフィリン系化合物や、DCM(4-ジシアノメチレン-2-メチル-6-(4-(ジメチルアミノスチリル))-4Hピラン)等のスチリル系化合物、4Hピラン系化合物を用いることができる。具体的には特開2008-72090号公報の[0073]~[0078]に記載の化合物が好ましい。
正孔ブロッキング膜には、電子受容性有機材料を用いることができる。
電子受容性材料としては、1,3-ビス(4-tert-ブチルフェニル-1,3,4-オキサジアゾリル)フェニレン(OXD-7)等のオキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、バソクプロイン、バソフェナントロリン、およびこれらの誘導体、トリアゾール化合物、トリス(8-ヒドロキシキノリナート)アルミニウム錯体、ビス(4-メチル-8-キノリナート)アルミニウム錯体、ジスチリルアリーレン誘導体、シロール化合物などを用いることができる。また、電子受容性有機材料でなくとも、十分な電子輸送性を有する材料ならば使用することは可能である。ポルフィリン系化合物や、DCM(4-ジシアノメチレン-2-メチル-6-(4-(ジメチルアミノスチリル))-4Hピラン)等のスチリル系化合物、4Hピラン系化合物を用いることができる。具体的には特開2008-72090号公報の[0073]~[0078]に記載の化合物が好ましい。
電荷ブロッキング膜の製造方法は特に制限されず、乾式成膜法または湿式成膜法により成膜できる。乾式成膜法としては、蒸着法、スパッタ法等が使用できる。蒸着は、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)のいずれでもよいが、真空蒸着等の物理蒸着が好ましい。湿式成膜法としては、インクジェット法、スプレー法、ノズルプリント法、スピンコート法、ディップコート法、キャスト法、ダイコート法、ロールコート法、バーコート法、グラビアコート法等が使用可能であるが、高精度パターニングの観点からはインクジェット法が好ましい。
電荷ブロッキング膜(電子ブロッキング膜および正孔ブロッキング膜)の厚みは、それぞれ、10~200nmが好ましく、更に好ましくは20~150nm、特に好ましくは30~100nmである。この厚みが薄すぎると、暗電流抑制効果が低下してしまい、厚すぎると光電変換効率が低下してしまうためである。
[基板]
光電変換素子は、さらに基板を含んでいてもよい。使用される基板の種類は特に制限されず、半導体基板、ガラス基板、またはプラスチック基板を用いることができる。
なお、基板の位置は特に制限されないが、通常、基板上に導電性膜、光電変換膜、および透明導電性膜をこの順で積層する。
[封止層]
光電変換素子は、さらに封止層を含んでいてもよい。光電変換材料は水分子などの劣化因子の存在で顕著にその性能が劣化してしまうことがあり、水分子を浸透させない緻密な金属酸化物・金属窒化物・金属窒化酸化物などセラミクスやダイヤモンド状炭素(DLC)などの封止層で光電変換膜全体を被覆して封止することが上記劣化を防止することができる。
なお、封止層としては、特開2011-082508号公報の段落[0210]~[0215]に記載に従って、材料の選択および製造を行ってもよい。
光電変換素子は、さらに基板を含んでいてもよい。使用される基板の種類は特に制限されず、半導体基板、ガラス基板、またはプラスチック基板を用いることができる。
なお、基板の位置は特に制限されないが、通常、基板上に導電性膜、光電変換膜、および透明導電性膜をこの順で積層する。
[封止層]
光電変換素子は、さらに封止層を含んでいてもよい。光電変換材料は水分子などの劣化因子の存在で顕著にその性能が劣化してしまうことがあり、水分子を浸透させない緻密な金属酸化物・金属窒化物・金属窒化酸化物などセラミクスやダイヤモンド状炭素(DLC)などの封止層で光電変換膜全体を被覆して封止することが上記劣化を防止することができる。
なお、封止層としては、特開2011-082508号公報の段落[0210]~[0215]に記載に従って、材料の選択および製造を行ってもよい。
[光センサ]
光電変換素子の用途として、例えば、光電池と光センサが挙げられるが、本発明の光電変換素子は光センサとして用いることが好ましい。光センサとしては、上記光電変換素子単独で用いたものでもよいし、上記光電変換素子を直線状に配したラインセンサや、平面上に配した2次元センサの形態とするものが好ましい。本発明の光電変換素子は、ラインセンサでは、スキャナー等の様に光学系および駆動部を用いて光画像情報を電気信号に変換し、2次元センサでは、撮像モジュールのように光画像情報を光学系でセンサ上に結像させ電気信号に変換することで撮像素子として機能する。
光電池は発電装置であるため、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が重要な性能となるが、暗所での電流である暗電流は機能上問題にならない。更にカラーフィルタ設置等の後段の加熱工程が必要ない。光センサは明暗信号を高い精度で電気信号に変換することが重要な性能となるため、光量を電流に変換する効率も重要な性能であるが、暗所で信号を出力するとノイズとなるため、低い暗電流が要求される。更に後段の工程に対する耐性も重要である。
光電変換素子の用途として、例えば、光電池と光センサが挙げられるが、本発明の光電変換素子は光センサとして用いることが好ましい。光センサとしては、上記光電変換素子単独で用いたものでもよいし、上記光電変換素子を直線状に配したラインセンサや、平面上に配した2次元センサの形態とするものが好ましい。本発明の光電変換素子は、ラインセンサでは、スキャナー等の様に光学系および駆動部を用いて光画像情報を電気信号に変換し、2次元センサでは、撮像モジュールのように光画像情報を光学系でセンサ上に結像させ電気信号に変換することで撮像素子として機能する。
光電池は発電装置であるため、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が重要な性能となるが、暗所での電流である暗電流は機能上問題にならない。更にカラーフィルタ設置等の後段の加熱工程が必要ない。光センサは明暗信号を高い精度で電気信号に変換することが重要な性能となるため、光量を電流に変換する効率も重要な性能であるが、暗所で信号を出力するとノイズとなるため、低い暗電流が要求される。更に後段の工程に対する耐性も重要である。
[撮像素子]
次に、光電変換素子10aを備えた撮像素子の構成例を説明する。
なお、以下に説明する構成例において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号または相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
撮像素子とは画像の光情報を電気信号に変換する素子であり、複数の光電変換素子が同一平面状でマトリクス上に配置されており、各々の光電変換素子(画素)において光信号を電気信号に変換し、その電気信号を画素ごとに逐次撮像素子外に出力できるものをいう。そのために、画素ひとつあたり、一つの光電変換素子、一つ以上のトランジスタから構成される。
図2は、本発明の一実施形態を説明するための撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。この撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡、携帯電話機等の撮像モジュール等に搭載して用いられる。
この撮像素子は、図1に示したような構成の複数の光電変換素子と、各光電変換素子の光電変換膜で発生した電荷に応じた信号を読み出す読み出し回路が形成された回路基板とを有し、該回路基板上方の同一面上に、複数の光電変換素子が1次元状または二次元状に配列された構成となっている。
次に、光電変換素子10aを備えた撮像素子の構成例を説明する。
なお、以下に説明する構成例において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号または相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
撮像素子とは画像の光情報を電気信号に変換する素子であり、複数の光電変換素子が同一平面状でマトリクス上に配置されており、各々の光電変換素子(画素)において光信号を電気信号に変換し、その電気信号を画素ごとに逐次撮像素子外に出力できるものをいう。そのために、画素ひとつあたり、一つの光電変換素子、一つ以上のトランジスタから構成される。
図2は、本発明の一実施形態を説明するための撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。この撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡、携帯電話機等の撮像モジュール等に搭載して用いられる。
この撮像素子は、図1に示したような構成の複数の光電変換素子と、各光電変換素子の光電変換膜で発生した電荷に応じた信号を読み出す読み出し回路が形成された回路基板とを有し、該回路基板上方の同一面上に、複数の光電変換素子が1次元状または二次元状に配列された構成となっている。
図2に示す撮像素子100は、基板101と、絶縁層102と、接続電極103と、画素電極(下部電極)104と、接続部105と、接続部106と、光電変換膜107と、対向電極(上部電極)108と、緩衝層109と、封止層110と、カラーフィルタ(CF)111と、隔壁112と、遮光層113と、保護層114と、対向電極電圧供給部115と、読出し回路116とを備える。
画素電極104は、図1に示した光電変換素子10aの下部電極11と同じ機能を有する。対向電極108は、図1に示した光電変換素子10aの上部電極15と同じ機能を有する。光電変換膜107は、図1に示した光電変換素子10aの下部電極11および上部電極15間に設けられる層と同じ構成である。
基板101は、ガラス基板またはSi等の半導体基板である。基板101上には絶縁層102が形成されている。絶縁層102の表面には複数の画素電極104と複数の接続電極103が形成されている。
光電変換膜107は、複数の画素電極104の上にこれらを覆って設けられた全ての光電変換素子で共通の層である。
対向電極108は、光電変換膜107上に設けられた、全ての光電変換素子で共通の1つの電極である。対向電極108は、光電変換膜107よりも外側に配置された接続電極103の上にまで形成されており、接続電極103と電気的に接続されている。
接続部106は、絶縁層102に埋設されており、接続電極103と対向電極電圧供給部115とを電気的に接続するためのプラグ等である。対向電極電圧供給部115は、基板101に形成され、接続部106および接続電極103を介して対向電極108に所定の電圧を印加する。対向電極108に印加すべき電圧が撮像素子の電源電圧よりも高い場合は、チャージポンプ等の昇圧回路によって電源電圧を昇圧して上記所定の電圧を供給する。
読出し回路116は、複数の画素電極104の各々に対応して基板101に設けられており、対応する画素電極104で捕集された電荷に応じた信号を読出すものである。読出し回路116は、例えばCCD、CMOS回路、またはTFT回路等で構成されており、絶縁層102内に配置された図示しない遮光層によって遮光されている。読み出し回路116は、それに対応する画素電極104と接続部105を介して電気的に接続されている。
緩衝層109は、対向電極108上に、対向電極108を覆って形成されている。封止層110は、緩衝層109上に、緩衝層109を覆って形成されている。カラーフィルタ111は、封止層110上の各画素電極104と対向する位置に形成されている。隔壁112は、カラーフィルタ111同士の間に設けられており、カラーフィルタ111の光透過効率を向上させるためのものである。
遮光層113は、封止層110上のカラーフィルタ111および隔壁112を設けた領域以外に形成されており、有効画素領域以外に形成された光電変換膜107に光が入射する事を防止する。保護層114は、カラーフィルタ111、隔壁112、および遮光層113上に形成されており、撮像素子100全体を保護する。
このように構成された撮像素子100では、光が入射すると、この光が光電変換膜107に入射し、ここで電荷が発生する。発生した電荷のうちの正孔は、画素電極104で捕集され、その量に応じた電圧信号が読み出し回路116によって撮像素子100外部に出力される。
撮像素子100の製造方法は、次の通りである。
対向電極電圧供給部115と読み出し回路116が形成された回路基板上に、接続部105,106、複数の接続電極103、複数の画素電極104、および絶縁層102を形成する。複数の画素電極104は、絶縁層102の表面に例えば正方格子状に配置する。
対向電極電圧供給部115と読み出し回路116が形成された回路基板上に、接続部105,106、複数の接続電極103、複数の画素電極104、および絶縁層102を形成する。複数の画素電極104は、絶縁層102の表面に例えば正方格子状に配置する。
次に、複数の画素電極104上に、光電変換膜107を例えば真空加熱蒸着法によって形成する。次に、光電変換膜107上に例えばスパッタ法により対向電極108を真空下で形成する。次に、対向電極108上に緩衝層109、封止層110を順次、例えば真空加熱蒸着法によって形成する。次に、カラーフィルタ111、隔壁112、遮光層113を形成後、保護層114を形成して、撮像素子100を完成する。
撮像素子100の製造方法においても、光電変換膜107の形成工程と封止層110の形成工程との間に、作製途中の撮像素子100を非真空下に置く工程を追加しても、複数の光電変換素子の性能劣化を防ぐことができる。この工程を追加することで、撮像素子100の性能劣化を防ぎながら、製造コストを抑えることができる。
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(合成例1:化合物1の合成)
化合物1は以下のスキーム(1)に従って合成した。得られた化合物1の1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=3.89(s,3H),6.90(s,2H),7.05(d,2H),7.80(d、2H)
化合物1は以下のスキーム(1)に従って合成した。得られた化合物1の1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=3.89(s,3H),6.90(s,2H),7.05(d,2H),7.80(d、2H)
なお、化合物2、化合物5、化合物12も、上記化合物1と同様の合成条件を用いて合成した。
(合成例2:化合物3の合成)
化合物3は以下のスキーム(2)に従って合成した。
化合物3は以下のスキーム(2)に従って合成した。
(合成例3:化合物4の合成)
Maclomolecules 2011,44,4596-4599に記載の方法と同様の合成条件で、化合物4を合成した。
なお、化合物6および化合物7も対応する出発原料を用いて、上記と同様の合成条件で合成した。
Maclomolecules 2011,44,4596-4599に記載の方法と同様の合成条件で、化合物4を合成した。
なお、化合物6および化合物7も対応する出発原料を用いて、上記と同様の合成条件で合成した。
(合成例4:化合物10の合成)
化合物10は以下のスキーム(3)に従って合成した。
化合物10は以下のスキーム(3)に従って合成した。
化合物1´(3.26g、10.0mmol)、化合物2´(2.89g、10.0mmol)、[ジクロロ(ジフェニルホスフィノフェロセン)パラジウム]ジクロロメタン錯体(408mg、0.500mmol)、炭酸カリウム(4.15g、30.0mmol)をTHF(100mL)に加え、窒素気流下、1日間還流にて反応させた。室温に戻した後、ろ過して不溶物を除き濃縮した後、シリカゲルカラム(展開溶媒:10%酢酸エチル/ヘキサン)で精製を行い化合物3´(2.19g、収率45%)を得た。
化合物3´(2.19g、4.47mmol)、フェニルボロン酸(1.64g、13.4mmol)、[ジクロロ(ジフェニルホスフィノフェロセン)パラジウム]ジクロロメタン錯体(182mg、0.223mmol)、フッ化セシウム(3.40g、22.4mmol)、酸化銀(I)(2.59g、11.2mmol)をトルエン(22mL)に加え、窒素気流下、19時間還流にて反応させた。室温に戻した後、ろ過して不溶物を除き濃縮した後、ゲル浸透クロマトグラフィー(展開溶媒:テトラヒドロフラン)にて精製し、得られた固体をアセトニトリルから再結晶することで化合物4´(860mg、収率39%)を得た。
化合物4´(860mg、1.76mmol)を1M水酸化ナトリウム水溶液(86mL)、エタノール(86mL)の混合液中に分散させ、70℃で1時間半、反応させた。室温まで戻した後、これに1M塩酸(200mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄したのち、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮することで化合物5´を得た。化合物5´を無水酢酸(10mL)、ジメチルスルホキシド(20mL)に溶解させ、80℃で3時間反応させた。室温まで戻した後、析出物をろ過し、得られた固体をアセトニトリルから再結晶することで化合物10(430mg、収率53%)を得た。
得られた化合物10の1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=7.06-7.17(m,8H),7.32(t,4H),7.42(t,1H),7.49(t,2H),7.87(d,2H),8.03(d,2H).
化合物3´(2.19g、4.47mmol)、フェニルボロン酸(1.64g、13.4mmol)、[ジクロロ(ジフェニルホスフィノフェロセン)パラジウム]ジクロロメタン錯体(182mg、0.223mmol)、フッ化セシウム(3.40g、22.4mmol)、酸化銀(I)(2.59g、11.2mmol)をトルエン(22mL)に加え、窒素気流下、19時間還流にて反応させた。室温に戻した後、ろ過して不溶物を除き濃縮した後、ゲル浸透クロマトグラフィー(展開溶媒:テトラヒドロフラン)にて精製し、得られた固体をアセトニトリルから再結晶することで化合物4´(860mg、収率39%)を得た。
化合物4´(860mg、1.76mmol)を1M水酸化ナトリウム水溶液(86mL)、エタノール(86mL)の混合液中に分散させ、70℃で1時間半、反応させた。室温まで戻した後、これに1M塩酸(200mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄したのち、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮することで化合物5´を得た。化合物5´を無水酢酸(10mL)、ジメチルスルホキシド(20mL)に溶解させ、80℃で3時間反応させた。室温まで戻した後、析出物をろ過し、得られた固体をアセトニトリルから再結晶することで化合物10(430mg、収率53%)を得た。
得られた化合物10の1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=7.06-7.17(m,8H),7.32(t,4H),7.42(t,1H),7.49(t,2H),7.87(d,2H),8.03(d,2H).
(合成例5:化合物8の合成)
化合物8は上記スキーム(3)において化合物2´の代わりに後述する化合物11´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:508.2([M+H]+)。
化合物8は上記スキーム(3)において化合物2´の代わりに後述する化合物11´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:508.2([M+H]+)。
(合成例6:化合物9の合成)
化合物9は上記スキーム(3)において化合物2´の代わりに後述する化合物17´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:498.2([M+H]+)。
化合物9は上記スキーム(3)において化合物2´の代わりに後述する化合物17´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:498.2([M+H]+)。
(合成例7:化合物11の合成)
化合物11は上記スキーム(3)においてフェニルボロン酸の代わりにp-フルオロフェニルボロン酸を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:476.1([M+H]+)。
化合物11は上記スキーム(3)においてフェニルボロン酸の代わりにp-フルオロフェニルボロン酸を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:476.1([M+H]+)。
(合成例8:化合物13の合成)
化合物13は以下のスキーム(4)に従って合成した。
化合物13は以下のスキーム(4)に従って合成した。
化合物1´(1.63g、5.00mmol)、化合物2´(3.61g、12.5mmol)、[ジクロロ(ジフェニルホスフィノフェロセン)パラジウム]ジクロロメタン錯体(82mg、0.10mmol)、フッ化セシウム(3.80g、25.0mmol)、酸化銀(I)(2.90g、12.5mmol)の混合物にトルエン(50mL)を加え、窒素気流下、2日間還流にて反応させた。室温に戻した後、ろ過して不溶物を除き濃縮した後、トルエンから再結晶することで化合物6´(2.35g、収率72%)を得た。
化合物6´(2.00g、3.05mmol)を1M水酸化ナトリウム水溶液(100mL)、エタノール(200mL)の混合液中に分散させ、80℃で3時間反応させた。室温まで戻した後、これに1M塩酸(200mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄したのち、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮することで化合物7´を得た。化合物7´を無水酢酸(60mL)、ジメチルスルホキシド(120mL)に溶解させ、80℃で3時間反応させた。室温まで戻した後、析出物をろ過し、得られた固体をシリカゲルカラム(展開溶媒:クロロホルム)で精製を行った。その後、アセトニトリルから再結晶することで化合物13(530mg、収率27%)を得た。
得られた化合物13は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=7.07-7.16(m,16H),7.28-7.34(m,8H),7.86(d,4H)
化合物6´(2.00g、3.05mmol)を1M水酸化ナトリウム水溶液(100mL)、エタノール(200mL)の混合液中に分散させ、80℃で3時間反応させた。室温まで戻した後、これに1M塩酸(200mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄したのち、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮することで化合物7´を得た。化合物7´を無水酢酸(60mL)、ジメチルスルホキシド(120mL)に溶解させ、80℃で3時間反応させた。室温まで戻した後、析出物をろ過し、得られた固体をシリカゲルカラム(展開溶媒:クロロホルム)で精製を行った。その後、アセトニトリルから再結晶することで化合物13(530mg、収率27%)を得た。
得られた化合物13は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=7.07-7.16(m,16H),7.28-7.34(m,8H),7.86(d,4H)
(合成例9:化合物15の合成)
化合物15は上記スキーム(4)において、化合物2´の代わりに化合物11´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物15は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。δ=7.10(t,4H),7.18(d,8H),7.29-7.34(m,12H),7.63(d,2H),7.79(d,2H),7.94(d,2H),8.55(s,2H).
化合物15は上記スキーム(4)において、化合物2´の代わりに化合物11´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物15は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。δ=7.10(t,4H),7.18(d,8H),7.29-7.34(m,12H),7.63(d,2H),7.79(d,2H),7.94(d,2H),8.55(s,2H).
化合物11´は下記スキーム(5)に従って合成した。
2-ブロモ-7-ヨードナフタレン(12.0g、36.0mmol)、ジフェニルアミン(6.08g、35.9mmol)、ヨウ化銅(688mg、3.61mmol)、炭酸カリウム(10.0g、72.1mmol)、テトラリン(8.0mL)の混合物を200℃で21時間反応させた。室温まで戻した後、トルエン(50mL)を加え、不溶物をろ過、濃縮し、得られた油状物をシリカゲルカラム(トルエン/ヘキサン)で精製することで化合物10´(4.52g、収率33%)で得た。
化合物10´(3.93g、10.5mmol)をテトラヒドロフラン(105mL)に溶解させ、-78℃に冷却し、そこにブチルリチウム(1.6Mヘキサン溶液、7.25mL、11.6mmol)を15分かけて滴下した。15分撹拌した後、トリメトキシボラン(2.18g、21.0mmol)を15分かけて滴下した。30分反応させた後、室温まで戻し、1M塩酸(150mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させろ過、濃縮することで化合物11´(2.43g、収率68%)を得た。
化合物10´(3.93g、10.5mmol)をテトラヒドロフラン(105mL)に溶解させ、-78℃に冷却し、そこにブチルリチウム(1.6Mヘキサン溶液、7.25mL、11.6mmol)を15分かけて滴下した。15分撹拌した後、トリメトキシボラン(2.18g、21.0mmol)を15分かけて滴下した。30分反応させた後、室温まで戻し、1M塩酸(150mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させろ過、濃縮することで化合物11´(2.43g、収率68%)を得た。
(合成例10:化合物18の合成)
化合物18はスキーム(4)において4-(N,N´-ジフェニルアミノ)フェニルホウ酸(化合物2´)の代わりに4-[N,N´-ジ(p-トリル)アミノ]フェニルホウ酸を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物18´は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=2.34(s,12H),7.00-7.05(m,12H),7.11(d,8H),7.82(d,4H)
化合物18はスキーム(4)において4-(N,N´-ジフェニルアミノ)フェニルホウ酸(化合物2´)の代わりに4-[N,N´-ジ(p-トリル)アミノ]フェニルホウ酸を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物18´は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=2.34(s,12H),7.00-7.05(m,12H),7.11(d,8H),7.82(d,4H)
(合成例11:化合物22の合成)
化合物22は上記スキーム(4)において、化合物2´の代わりに化合物17´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物22は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。δ=1.73(s,12H),6.26-6.29(m,2H),6.33(d,2H),6.96-7.02(m,4H),7.33(d,4H),7.48-7.56(m,4H),7.63-7.68(m,6H),8.13(s,2H).
化合物22は上記スキーム(4)において、化合物2´の代わりに化合物17´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物22は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。δ=1.73(s,12H),6.26-6.29(m,2H),6.33(d,2H),6.96-7.02(m,4H),7.33(d,4H),7.48-7.56(m,4H),7.63-7.68(m,6H),8.13(s,2H).
化合物17´は下記スキーム(6)に従って合成した。
化合物11´(100g、469mmol)をメタノール(1000mL)に加え、そこに硫酸(100mL)を室温で滴下した。1日還流にて反応させた後、メタノールを留去し、水(1000mL)、酢酸エチル(1000mL)を加え、抽出を行った。飽和重曹水、水、飽和食塩水で洗浄した後、油層を硫酸ナトリウムで乾燥させ、ろ過、濃縮を行った。その後、メタノールから再結晶することで化合物12´(97.8g、収率92%)を得た。
化合物12´(95.0g、418mmol)をテトラヒドロフラン(THF)(1500mL)に溶解させ、そこにメチルマグネシウムブロミド(3Mエーテル溶液、488mL、1.46mol)を室温で滴下した。50℃で1時間反応させた後、水(500mL)、1M塩酸(1000mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、食塩水で洗浄した後、硫酸ナトリウムで乾燥させ、ろ過、濃縮することで化合物13´を得た。得られた化合物13´をリン酸(950mL)に溶解させ、50℃で2.5時間反応を行った。室温まで戻した後、水(1000mL)を加え、エタノール/ヘキサンから再結晶することで化合物14´(66.4g、収率76%)を得た。
化合物14´(12.0g、57.3mmol)をジメチルホルムアミド(DMF)(400mL)に溶解させ、0℃に冷却し、そこにN-ブロモスクシンイミド(10.2g、57.4mmol)をDMF(100mL)に溶解させたものを添加した。30分反応させた後、室温まで戻し、水、酢酸エチルを加え抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸ナトリウムで乾燥し、ろ過、濃縮した。得られた油状物をシリカゲルカラム(50%酢酸エチル/ヘキサン)で精製することで化合物15´(14.4g、収率80%)を得た。
化合物15´(3.40g、11.8mmol)、ヨードベンゼン(24.1g、118mmol)、炭酸カリウム(3.26g、23.6mmol)、ヨウ化銅(112mg、0.59mmol)の混合物を200℃で6時間反応させた。室温まで戻した後、トルエン(250mL)を加え、不溶物をろ過し、濃縮した。得られた油状物をシリカゲルカラムで精製することで化合物16´(3.49g、収率81%)を得た。
化合物16´(6.00g、16.5mmol)をTHF(165mL)に溶解させ、-90℃に冷却した後、ブチルリチウム(1.6Mヘキサン溶液、10.3mL、16.5mmol)を滴下した。30分撹拌した後、トリメトキシボラン(3.42g、32.9mmol)を滴下した。2時間反応させた後、0℃に昇温し、1M塩酸(300mL)を加え30分撹拌した。酢酸エチルで抽出を行い、油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸ナトリウムで乾燥させ、ろ過、濃縮を行った。得られた固体をオクタンから再結晶することで化合物17´(5.35g、収率80%)
化合物12´(95.0g、418mmol)をテトラヒドロフラン(THF)(1500mL)に溶解させ、そこにメチルマグネシウムブロミド(3Mエーテル溶液、488mL、1.46mol)を室温で滴下した。50℃で1時間反応させた後、水(500mL)、1M塩酸(1000mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、食塩水で洗浄した後、硫酸ナトリウムで乾燥させ、ろ過、濃縮することで化合物13´を得た。得られた化合物13´をリン酸(950mL)に溶解させ、50℃で2.5時間反応を行った。室温まで戻した後、水(1000mL)を加え、エタノール/ヘキサンから再結晶することで化合物14´(66.4g、収率76%)を得た。
化合物14´(12.0g、57.3mmol)をジメチルホルムアミド(DMF)(400mL)に溶解させ、0℃に冷却し、そこにN-ブロモスクシンイミド(10.2g、57.4mmol)をDMF(100mL)に溶解させたものを添加した。30分反応させた後、室温まで戻し、水、酢酸エチルを加え抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸ナトリウムで乾燥し、ろ過、濃縮した。得られた油状物をシリカゲルカラム(50%酢酸エチル/ヘキサン)で精製することで化合物15´(14.4g、収率80%)を得た。
化合物15´(3.40g、11.8mmol)、ヨードベンゼン(24.1g、118mmol)、炭酸カリウム(3.26g、23.6mmol)、ヨウ化銅(112mg、0.59mmol)の混合物を200℃で6時間反応させた。室温まで戻した後、トルエン(250mL)を加え、不溶物をろ過し、濃縮した。得られた油状物をシリカゲルカラムで精製することで化合物16´(3.49g、収率81%)を得た。
化合物16´(6.00g、16.5mmol)をTHF(165mL)に溶解させ、-90℃に冷却した後、ブチルリチウム(1.6Mヘキサン溶液、10.3mL、16.5mmol)を滴下した。30分撹拌した後、トリメトキシボラン(3.42g、32.9mmol)を滴下した。2時間反応させた後、0℃に昇温し、1M塩酸(300mL)を加え30分撹拌した。酢酸エチルで抽出を行い、油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸ナトリウムで乾燥させ、ろ過、濃縮を行った。得られた固体をオクタンから再結晶することで化合物17´(5.35g、収率80%)
(合成例12:化合物23の合成)
化合物23は上記スキーム(4)において、化合物2´の代わりに化合物18´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物23は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。δ=1.71(s,12H),3.93(s,6H)6.33(d,2H),6.37(d,2H)、6.95-7.02(m,4H),7.13-7.17(m,4H),7.21-7.29(m,4H),7.48(d,2H),7.67(d,2H),8.13(s,2H).
化合物23は上記スキーム(4)において、化合物2´の代わりに化合物18´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物23は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。δ=1.71(s,12H),3.93(s,6H)6.33(d,2H),6.37(d,2H)、6.95-7.02(m,4H),7.13-7.17(m,4H),7.21-7.29(m,4H),7.48(d,2H),7.67(d,2H),8.13(s,2H).
化合物18´は上記スキーム(6)においてヨードベンゼンの代わりに、p-メトキシヨードベンゼンを用いることで合成した。
(合成例13:化合物24の合成)
化合物24は上記スキーム(4)において、化合物2´の代わりに化合物20´を用いて合成条件で合成した。得られた化合物24は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=1.60(s,12H),3.69(s,6H),6.99-7.08(m,6H),7.21-7.28(m,2H),7.46(d,2H),7.97(d,2H),8.09(s,2H).
化合物24は上記スキーム(4)において、化合物2´の代わりに化合物20´を用いて合成条件で合成した。得られた化合物24は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=1.60(s,12H),3.69(s,6H),6.99-7.08(m,6H),7.21-7.28(m,2H),7.46(d,2H),7.97(d,2H),8.09(s,2H).
化合物20´は下記スキーム(7)に従って合成した。
(合成例14:化合物16の合成)
化合物16は以下のスキーム(8)に従って合成した。化合物21´は、化合物3の合成条件と同様の条件を用いて合成した。
化合物16は以下のスキーム(8)に従って合成した。化合物21´は、化合物3の合成条件と同様の条件を用いて合成した。
化合物21´(0.72g、1.61mmol)、化合物2´(1.70g、5.88mmol)、SPhos(130mg、0.32mmol)、Pd2(dba)3(140mg、0.16mmol)、リン酸三カリウム(770mg、3.63mmol)をトルエン(30mL)、水(7.5mL)の混合物に添加し、窒素気流下、還流で4時間反応させた。室温に戻した後、水を加え、トルエンで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過濃縮し、得られた固体をシリカゲルカラムで精製することで化合物16(0.51g、収率41%)を得た。
得られた化合物16は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=7.09(t,4H),7.14-7.17(m,12H),7.28-7.32(t,8H),7.56(d,4H),7.77(d,4H),8.32(d,4H).
得られた化合物16は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=7.09(t,4H),7.14-7.17(m,12H),7.28-7.32(t,8H),7.56(d,4H),7.77(d,4H),8.32(d,4H).
(合成例15:化合物17の合成)
化合物17は以下のスキーム(9)に従って合成した。
化合物17は以下のスキーム(9)に従って合成した。
化合物22´(25.0g、185mmol)、ヨードベンゼン(151g、740mmol)、炭酸カリウム(102.25g、740mmol)、銅粉(2.35g、37.0mmol)、ヨウ化銅(3.52g、18.5mmol)の混合物を200℃で7時間反応させた。室温まで戻した後、トルエンで希釈してろ過し、ろ液を濃縮した後、シリカゲルカラム(展開溶媒:トルエン)で精製して化合物23´(36.1g、収率68%)を得た。
水素化ナトリウム(60重量%オイル中分散物、9.74g、244mmol)、炭酸ジエチル(35.9g、305mmol)をトルエン(200mL)に加え、窒素気流下還流させた。そこに化合物23´(35.0g、233mmol)をトルエン(24mL)に溶解させたものを15分かけて滴下した。2時間還流した後、室温まで戻し、1M塩酸(500mL)を加え酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄したのち、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮した。得られた油状物をシリカゲルカラム(トルエン)で精製し、化合物24´(38.2g、収率91%)を得た。
化合物24´(19.0g、55.3mmol)、p-トルエンスルホン酸(0.42g,、2.21mmol)をトルエン(380mL)に加え、0℃に冷却した。そこにN-ブロモスクシンイミド(9.95g、55.9mmol)を添加した。1時間反応させた後に、室温に戻し、そこに水(500mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮した。得られた油状物をシリカゲルカラム(1%酢酸エチル/トルエン)で精製を行い、化合物25´(22.4g、収率97%)を得た。
化合物24´(17.89g、52.1mmol)をTHF(180mL)に溶解させ、そこに水素化ナトリウム(60重量%オイル中分散物、2.08g、52.1mmol)を添加した。40℃で30分加熱撹拌した後、そこに化合物25´(22.0mmol、52.1mmol)をTHF(220mL)に溶解させたものを10分かけて滴下した。40℃で1.5時間反応させた後、室温に戻し水(200mL)、1M塩酸(200mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮することで化合物26´(36.1g、収率97%)を得た。
化合物26´(10.0g、14.0mmol)にDBU(5滴)を加えて、真空下で170℃に加熱し、8時間反応させた。放冷した後に、塩化メチレン(300mL)に溶解させてシリカゲルカラムを通し、アセトニトリルから再結晶を繰り返すことで化合物17(4.20g、収率48%)を得た。
得られた化合物17は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=7.04(d,4H),7.17-7.21(m,12H),7.36(t,8H),8.05(d,4H).
水素化ナトリウム(60重量%オイル中分散物、9.74g、244mmol)、炭酸ジエチル(35.9g、305mmol)をトルエン(200mL)に加え、窒素気流下還流させた。そこに化合物23´(35.0g、233mmol)をトルエン(24mL)に溶解させたものを15分かけて滴下した。2時間還流した後、室温まで戻し、1M塩酸(500mL)を加え酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄したのち、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮した。得られた油状物をシリカゲルカラム(トルエン)で精製し、化合物24´(38.2g、収率91%)を得た。
化合物24´(19.0g、55.3mmol)、p-トルエンスルホン酸(0.42g,、2.21mmol)をトルエン(380mL)に加え、0℃に冷却した。そこにN-ブロモスクシンイミド(9.95g、55.9mmol)を添加した。1時間反応させた後に、室温に戻し、そこに水(500mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮した。得られた油状物をシリカゲルカラム(1%酢酸エチル/トルエン)で精製を行い、化合物25´(22.4g、収率97%)を得た。
化合物24´(17.89g、52.1mmol)をTHF(180mL)に溶解させ、そこに水素化ナトリウム(60重量%オイル中分散物、2.08g、52.1mmol)を添加した。40℃で30分加熱撹拌した後、そこに化合物25´(22.0mmol、52.1mmol)をTHF(220mL)に溶解させたものを10分かけて滴下した。40℃で1.5時間反応させた後、室温に戻し水(200mL)、1M塩酸(200mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過し、濃縮することで化合物26´(36.1g、収率97%)を得た。
化合物26´(10.0g、14.0mmol)にDBU(5滴)を加えて、真空下で170℃に加熱し、8時間反応させた。放冷した後に、塩化メチレン(300mL)に溶解させてシリカゲルカラムを通し、アセトニトリルから再結晶を繰り返すことで化合物17(4.20g、収率48%)を得た。
得られた化合物17は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=7.04(d,4H),7.17-7.21(m,12H),7.36(t,8H),8.05(d,4H).
(合成例16:化合物14の合成)
化合物14は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物27´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物14は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=1.78(s,12H),6.30(d,2H),6.36(d,2H)6.98-7.04(m,4H)7.33(d,4H),7.50-7.59(m,4H),7.67(t,4H),7.88(d,2H),8.39(s,2H).
化合物14は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物27´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物14は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=1.78(s,12H),6.30(d,2H),6.36(d,2H)6.98-7.04(m,4H)7.33(d,4H),7.50-7.59(m,4H),7.67(t,4H),7.88(d,2H),8.39(s,2H).
化合物27´は下記スキーム(10)に従って合成した。
化合物16´(27.5g、75.5mmol)をTHF(755mL)に溶解させ、-78℃に冷却し、そこにブチルリチウム(1.6Mヘキサン溶液、51.9mL、83.0mmol)を15分かけて滴下した。15分撹拌した後、N,N´-ジメチルアセトアミド(7.89g、90.6mmol)を15分かけて滴下した。30分反応させた後、室温まで戻し、1M塩酸(1500mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させろ過、濃縮し、得られた油状物をメタノールから再結晶することで化合物27´(21.7g、収率59%)を得た。
(合成例17:化合物19の合成)
化合物19は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物28´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物19は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=1.65(s,12H),3.56(s,6H),7.02-7.13(m,6H),7.25-7.30(m,2H),7.48(d,2H),8.16(d,2H),8.37(s,2H).
化合物19は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物28´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物19は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=1.65(s,12H),3.56(s,6H),7.02-7.13(m,6H),7.25-7.30(m,2H),7.48(d,2H),8.16(d,2H),8.37(s,2H).
化合物28´は上記スキーム(10)において化合物16´の代わりに化合物19´を用いて同様の条件で合成した。
(合成例18:化合物20の合成)
化合物20は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物31´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物20は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=2.30(s,12H),6.08(d,2H),6.53(d,2H),6.89-6.98(m,4H),7.33(d,4H),7.48-7.57(m,6H),7.63(t,4H),8.31(t,2H),8.45(s,2H),8.59(d,2H).
化合物20は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物31´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物20は1H NMRスペクト測定を行い、化合物を同定した。1H NMR(400MHz、CDCl3):δ=2.30(s,12H),6.08(d,2H),6.53(d,2H),6.89-6.98(m,4H),7.33(d,4H),7.48-7.57(m,6H),7.63(t,4H),8.31(t,2H),8.45(s,2H),8.59(d,2H).
化合物31´は下記スキーム(11)に従って合成した。化合物29´は特開2012-77064に記載の方法で合成した。
化合物29´(19.3g、53.0mmol)をTHF(212mL)に溶解させ、-78℃に冷却し、そこにメチルマグネシウムブロミド(3Mエーテル溶液、34mL、103mmol)を滴下した。0℃に昇温し、1時間反応させた後、1M塩酸(300mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過、濃縮して化合物30´を得た。化合物30´をトルエン(265mL)に溶解させ、そこに酸化マンガン(IV)(15.2g、175mmol)を加え、100℃で5時間反応させた。室温に戻した後、ろ過して不溶物を取り除き、濃縮して得られた油状物をシリカゲルカラム(トルエン)で精製することで化合物31´(14.4g、72%)を得た。
(合成例19:化合物21の合成)
化合物21は対応する原料を用いて、上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物35´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物21はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:681.3([M+H]+)。
化合物21は対応する原料を用いて、上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物35´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物21はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:681.3([M+H]+)。
化合物35´は下記スキーム(12)に従って合成した。化合物32´は特開2012-77064に記載の方法で合成した。
化合物32´(20.0g、63.0mmol)をTHF(315mL)に溶解させ、そこに水素化ナトリウム(60重量%オイル中分散物、5.04g、126mmol)を添加した。2時間還流させた後、室温に戻し、そこにヨードメタン(26.8g、189mmol)を添加した。室温で3時間反応させた後、1M塩酸(500mL)を加え、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、ろ過、濃縮した。得られた固体をメタノールから再結晶することで化合物33´(12.5g、収率57%)を得た。
化合物33´(12.5g、37.7mmol)、水酸化カリウム(10.6g、188mmol)をエタノール(200mL)、水(40mL)の混合物に添加し、還流で1時間反応させた。室温まで戻した後、1M塩酸(1000mL)を添加し、析出物をろ過して水、メタノールで洗浄することで化合物34´(11.0g、収率92%)を得た。
化合物34´(11.0g、34.7mmol)をTHF(174mL)に溶解させ、-78℃に冷却し、そこにメチルリチウム(1.1Mエーテル溶液、77.0mL、86.8mmol)を滴下した。0℃に昇温して30分反応させた後、1M塩酸(200mL)を添加し、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過、濃縮した。得られた固体をメタノールから再結晶することで化合物35´(10.4g、収率95%)を得た。
化合物33´(12.5g、37.7mmol)、水酸化カリウム(10.6g、188mmol)をエタノール(200mL)、水(40mL)の混合物に添加し、還流で1時間反応させた。室温まで戻した後、1M塩酸(1000mL)を添加し、析出物をろ過して水、メタノールで洗浄することで化合物34´(11.0g、収率92%)を得た。
化合物34´(11.0g、34.7mmol)をTHF(174mL)に溶解させ、-78℃に冷却し、そこにメチルリチウム(1.1Mエーテル溶液、77.0mL、86.8mmol)を滴下した。0℃に昇温して30分反応させた後、1M塩酸(200mL)を添加し、酢酸エチルで抽出を行った。油層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させ、ろ過、濃縮した。得られた固体をメタノールから再結晶することで化合物35´(10.4g、収率95%)を得た。
(合成例20:化合物25の合成)
化合物25は化合物16´の代わりに3-ブロモ-9-フェニルカルバゾールを用いて、その他は化合物14と同様の条件で合成した。得られた化合物25はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:621.2([M+H]+)。
化合物25は化合物16´の代わりに3-ブロモ-9-フェニルカルバゾールを用いて、その他は化合物14と同様の条件で合成した。得られた化合物25はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:621.2([M+H]+)。
(合成例21:化合物26の合成)
化合物26は化合物23´の代わりに4-(メチルフェニルアミノ)アセトフェノンを用いて、その他は化合物17と同様の条件で合成した。得られた化合物26はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:501.2([M+H]+)。
化合物26は化合物23´の代わりに4-(メチルフェニルアミノ)アセトフェノンを用いて、その他は化合物17と同様の条件で合成した。得られた化合物26はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:501.2([M+H]+)。
(合成例22:化合物27の合成)
化合物27はヨードベンゼンの代わりに3-ブロモピリジンを用いて、その他は化合物14と同様の条件で合成した。得られた化合物27はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:707.3([M+H]+)。
化合物27はヨードベンゼンの代わりに3-ブロモピリジンを用いて、その他は化合物14と同様の条件で合成した。得られた化合物27はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:707.3([M+H]+)。
(合成例23:化合物28の合成)
化合物28は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物37´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物28はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:707.3([M+H]+)。
化合物28は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりに化合物37´を用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物28はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:707.3([M+H]+)。
化合物37´は下記スキーム(13)に従って、化合物36´を用いてスキーム(10)と同様の条件で合成した。
(合成例24:化合物29の合成)
化合物29は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりにp-ジメチルアミノアセトフェノンを用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:377.2([M+H]+)。
化合物29は上記スキーム(9)において化合物23´の代わりにp-ジメチルアミノアセトフェノンを用いて同様の合成条件で合成した。得られた化合物はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:377.2([M+H]+)。
(合成例25:化合物30の合成)
化合物30は上記スキーム(13)において化合物36´の代わりにN-(t-ブチル)ジチエノ[3,2-b;2,3-d]ピロールを用い、その他は化合物17と同様の合成条件で合成した。得られた化合物30はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:604.2([M+H]+)。
化合物30は上記スキーム(13)において化合物36´の代わりにN-(t-ブチル)ジチエノ[3,2-b;2,3-d]ピロールを用い、その他は化合物17と同様の合成条件で合成した。得られた化合物30はMSスペクトル測定を行い、化合物を同定した。MS(ESI+)m/z:604.2([M+H]+)。
以下に、本実施例および比較例で使用した化合物1~30、比較化合物1、2をまとめて示す。
<光電変換素子の作製>
図1(a)の形態の光電変換素子を作製した。ここで、光電変換素子は、下部電極11、電子ブロッキング膜16A、光電変換膜12および上部電極15からなる。
具体的には、ガラス基板上に、アモルファス性ITOをスパッタ法により成膜して、下部電極11(厚み:30nm)を形成し、さらに下部電極11上に下記化合物(EB-1)を真空加熱蒸着法により成膜して、電子ブロッキング膜16A(厚み:100nm)を形成した。さらに、基板の温度を25℃に制御した状態で、電子ブロッキング膜16A上に、上記化合物(化合物1~30、例示化合物1~2)とフラーレン(C60)とをそれぞれ単層換算で120nm、280nmとなるように真空加熱蒸着により共蒸着して成膜し、光電変換膜12を形成した。上記化合物は2.6Å/secの蒸着レートで成膜を行った。さらに、光電変換膜12上に、アモルファス性ITOをスパッタ法により成膜して、上部電極15(透明導電性膜)(厚み:10nm)を形成した。上部電極15上に、加熱蒸着により封止層としてSiO膜を形成した後、その上にALCVD法により酸化アルミニウム(Al2O3)層を形成し、光電変換素子を作製した。
なお、光電変換膜12中における、フラーレンの含有量比(フラーレンまたはその誘導体の単層換算での膜厚/(化合物Xで表される化合物の単層換算での膜厚+フラーレンまたはその誘導体の単層換算での膜厚))は70体積%であった。
図1(a)の形態の光電変換素子を作製した。ここで、光電変換素子は、下部電極11、電子ブロッキング膜16A、光電変換膜12および上部電極15からなる。
具体的には、ガラス基板上に、アモルファス性ITOをスパッタ法により成膜して、下部電極11(厚み:30nm)を形成し、さらに下部電極11上に下記化合物(EB-1)を真空加熱蒸着法により成膜して、電子ブロッキング膜16A(厚み:100nm)を形成した。さらに、基板の温度を25℃に制御した状態で、電子ブロッキング膜16A上に、上記化合物(化合物1~30、例示化合物1~2)とフラーレン(C60)とをそれぞれ単層換算で120nm、280nmとなるように真空加熱蒸着により共蒸着して成膜し、光電変換膜12を形成した。上記化合物は2.6Å/secの蒸着レートで成膜を行った。さらに、光電変換膜12上に、アモルファス性ITOをスパッタ法により成膜して、上部電極15(透明導電性膜)(厚み:10nm)を形成した。上部電極15上に、加熱蒸着により封止層としてSiO膜を形成した後、その上にALCVD法により酸化アルミニウム(Al2O3)層を形成し、光電変換素子を作製した。
なお、光電変換膜12中における、フラーレンの含有量比(フラーレンまたはその誘導体の単層換算での膜厚/(化合物Xで表される化合物の単層換算での膜厚+フラーレンまたはその誘導体の単層換算での膜厚))は70体積%であった。
<素子駆動の確認(暗電流の測定)>
得られた各素子について光電変換素子として機能するかどうかの確認を行った。
得られた各素子(実施例1~30、比較例1~2)の下部電極および上部電極に、2.5×105V/cmの電界強度となるように電圧を印加すると、いずれの素子も暗所では100nA/cm2以下の暗電流を示すが、明所では10μA/cm2以上の電流を示し、光電変換素子が機能することを確認した。
得られた各素子について光電変換素子として機能するかどうかの確認を行った。
得られた各素子(実施例1~30、比較例1~2)の下部電極および上部電極に、2.5×105V/cmの電界強度となるように電圧を印加すると、いずれの素子も暗所では100nA/cm2以下の暗電流を示すが、明所では10μA/cm2以上の電流を示し、光電変換素子が機能することを確認した。
<光電変換効率(外部量子効率)の評価>
得られた各光電変換素子について光電変換効率を評価した。
まず、光電変換素子に2.0×105V/cmの電界強度となるように電圧を印加した。その後、上部電極(透明導電性膜)側から光を照射して最大感度波長での外部量子効率を測定した。外部量子効率は、オプテル製定エネルギー量子効率測定装置を用いて測定した。照射した光量は50uW/cm2であった。また、光電変換素子表面の反射光の影響を除くため、最大感度波長での外部量子効率を最大感度波長の光吸収率で除算することで外部量子効率とした。各実施例および比較例の外部量子効率は、比較例1を1.0とした場合の相対値として求めた。評価基準としては、2.0以上のものをAA、1.5以上2.0未満のものをA、1.2以上1.5未満のものをB、0.8以上1.2未満のものをC、0.8未満のものをDとした。結果を第1表に示す。なお、実用上、B以上が好ましく、A以上がより好ましく、AA以上が特に好ましい。
得られた各光電変換素子について光電変換効率を評価した。
まず、光電変換素子に2.0×105V/cmの電界強度となるように電圧を印加した。その後、上部電極(透明導電性膜)側から光を照射して最大感度波長での外部量子効率を測定した。外部量子効率は、オプテル製定エネルギー量子効率測定装置を用いて測定した。照射した光量は50uW/cm2であった。また、光電変換素子表面の反射光の影響を除くため、最大感度波長での外部量子効率を最大感度波長の光吸収率で除算することで外部量子効率とした。各実施例および比較例の外部量子効率は、比較例1を1.0とした場合の相対値として求めた。評価基準としては、2.0以上のものをAA、1.5以上2.0未満のものをA、1.2以上1.5未満のものをB、0.8以上1.2未満のものをC、0.8未満のものをDとした。結果を第1表に示す。なお、実用上、B以上が好ましく、A以上がより好ましく、AA以上が特に好ましい。
<応答速度の評価(応答性評価)>
得られた各光電変換素子について応答性を評価した。
具体的には、光電変換素子に2.0×105V/cmの電界強度となるように電圧を印加した。その後、LEDを瞬間的に点灯させて上部電極(透明導電性膜)側から光を照射し、そのときの光電流をオシロスコープで測定して、0から95%信号強度までの立ち上がり時間を測定した。各実施例および比較例の応答性は、比較例1の立ち上がり時間を1.0とした場合の相対値として求めた。評価基準としては、0.1未満のものをAA、0.1以上0.2未満のものをA、0.2以上0.5未満のものをB、0.5以上1.5未満のものをC、1.5以上のものをDとした。結果を第1表に示す。なお、実用上、B以上が好ましく、A以上がより好ましく、AA以上が特に好ましい。
得られた各光電変換素子について応答性を評価した。
具体的には、光電変換素子に2.0×105V/cmの電界強度となるように電圧を印加した。その後、LEDを瞬間的に点灯させて上部電極(透明導電性膜)側から光を照射し、そのときの光電流をオシロスコープで測定して、0から95%信号強度までの立ち上がり時間を測定した。各実施例および比較例の応答性は、比較例1の立ち上がり時間を1.0とした場合の相対値として求めた。評価基準としては、0.1未満のものをAA、0.1以上0.2未満のものをA、0.2以上0.5未満のものをB、0.5以上1.5未満のものをC、1.5以上のものをDとした。結果を第1表に示す。なお、実用上、B以上が好ましく、A以上がより好ましく、AA以上が特に好ましい。
<5.0Å/secで上記化合物を蒸着した際の暗電流>
実施例12~30、比較例1、2に関しては上記化合物の蒸着レートを5.0Å/secにして光電変換素子を作製し、暗電流を評価した。暗電流の値は、2.6Å/secで作製した光電変換素子の暗電流を1.0とした場合の相対値として求めた。評価基準としては1.5未満のものをAA、1.5以上3.0未満のものをA、3.0以上10未満のものをB、10以上50未満のものをC、50以上のものをDとして評価した。なお、実用上B以上が好ましく、A以上がより好ましく、AA以上が特に好ましい。
実施例12~30、比較例1、2に関しては上記化合物の蒸着レートを5.0Å/secにして光電変換素子を作製し、暗電流を評価した。暗電流の値は、2.6Å/secで作製した光電変換素子の暗電流を1.0とした場合の相対値として求めた。評価基準としては1.5未満のものをAA、1.5以上3.0未満のものをA、3.0以上10未満のものをB、10以上50未満のものをC、50以上のものをDとして評価した。なお、実用上B以上が好ましく、A以上がより好ましく、AA以上が特に好ましい。
上記表1に示すように、本発明の光電変換素子においては、優れた耐熱性および応答性を示すことが確認された。
なかでも、実施例8~12に示すように、一般式(1)~(3)においてR1およびR2の少なくとも一方が一般式(14)で表されると共に、一般式(1)~(3)中のnが0である場合、または、一般式(1)~(3)においてR1とR2とが同じ置換基である場合、実施例1~7と比較して、光電変換効率および応答速度の両方がAであるか、少なくとも一方にAAが含まれ、より効果が優れることが確認された。
また、実施例13~16に示すように、一般式(1)~(3)においてR1およびR2が一般式(14)で表され、一般式(1)~(3)中のnが0であり、かつ、R1とR2とが同じ置換基である場合は、光電変換効率および応答速度が共にAAであり、より効果が優れることが確認された。
また、実施例13~28に示すように、一般式(1)~(3)においてR1およびR2が一般式(18)で表され、一般式(1)~(3)中のnが0であり、かつ、R1とR2とが同じ置換基である場合は、光電変換効率および応答速度のバランスがより優れることが確認された。
また、実施例6と10との比較より、n=0のほうがより効果が優れることが確認された。
また、実施例17、26および29の比較より、一般式(1)~(3)においてR1およびR2が一般式(14)で表され、R30およびR31が置換基を有してもよいアリール基の場合、より効果が優れることが確認された。
また、実施例12~30の比較より、一般式(1)~(3)においてR1およびR2が一般式(14)で表され、一般式(14)中、R30~R32がそれぞれ互いに連結して環を形成している場合、<5.0Å/secで上記化合物を蒸着した際の暗電流>欄において、より効果が優れることが確認された。
なかでも、実施例8~12に示すように、一般式(1)~(3)においてR1およびR2の少なくとも一方が一般式(14)で表されると共に、一般式(1)~(3)中のnが0である場合、または、一般式(1)~(3)においてR1とR2とが同じ置換基である場合、実施例1~7と比較して、光電変換効率および応答速度の両方がAであるか、少なくとも一方にAAが含まれ、より効果が優れることが確認された。
また、実施例13~16に示すように、一般式(1)~(3)においてR1およびR2が一般式(14)で表され、一般式(1)~(3)中のnが0であり、かつ、R1とR2とが同じ置換基である場合は、光電変換効率および応答速度が共にAAであり、より効果が優れることが確認された。
また、実施例13~28に示すように、一般式(1)~(3)においてR1およびR2が一般式(18)で表され、一般式(1)~(3)中のnが0であり、かつ、R1とR2とが同じ置換基である場合は、光電変換効率および応答速度のバランスがより優れることが確認された。
また、実施例6と10との比較より、n=0のほうがより効果が優れることが確認された。
また、実施例17、26および29の比較より、一般式(1)~(3)においてR1およびR2が一般式(14)で表され、R30およびR31が置換基を有してもよいアリール基の場合、より効果が優れることが確認された。
また、実施例12~30の比較より、一般式(1)~(3)においてR1およびR2が一般式(14)で表され、一般式(14)中、R30~R32がそれぞれ互いに連結して環を形成している場合、<5.0Å/secで上記化合物を蒸着した際の暗電流>欄において、より効果が優れることが確認された。
一方、特許文献1の実施例欄で使用されていた例示化合物1や、特開2011-253861号公報で開示される例示化合物2を使用した場合(比較例1および比較例2)は、光電変換効率および応答性が劣っていた。
<撮像素子の作製>
図2に示す形態と同様の撮像素子を作製した。すなわち、CMOS基板上に、アモルファス性TiN 30nmをスパッタ法により成膜後、フォトリソグラフィーによりCMOS基板上のフォトダイオード(PD)の上にそれぞれ1つずつ画素が存在するようにパターニングして下部電極とし、電子ブロッキング材料の成膜以降は実施例1~30、比較例1~2と同様に作製した。その評価も同様に行い、第1表と同様な結果が得られ、撮像素子においても製造に適していることと、優れた性能を示すことが分かった。
図2に示す形態と同様の撮像素子を作製した。すなわち、CMOS基板上に、アモルファス性TiN 30nmをスパッタ法により成膜後、フォトリソグラフィーによりCMOS基板上のフォトダイオード(PD)の上にそれぞれ1つずつ画素が存在するようにパターニングして下部電極とし、電子ブロッキング材料の成膜以降は実施例1~30、比較例1~2と同様に作製した。その評価も同様に行い、第1表と同様な結果が得られ、撮像素子においても製造に適していることと、優れた性能を示すことが分かった。
10a、10b 光電変換素子
11 下部電極(導電性膜)
12 光電変換膜
15 上部電極(透明導電性膜)
16A 電子ブロッキング膜
16B 正孔ブロッキング膜
100 撮像素子
101 基板
102 絶縁層
103 接続電極
104 画素電極(下部電極)
105 接続部
106 接続部
107 光電変換膜
108 対向電極(上部電極)
109 緩衝層
110 封止層
111 カラーフィルタ(CF)
112 隔壁
113 遮光層
114 保護層
115 対向電極電圧供給部
116 読出し回路
11 下部電極(導電性膜)
12 光電変換膜
15 上部電極(透明導電性膜)
16A 電子ブロッキング膜
16B 正孔ブロッキング膜
100 撮像素子
101 基板
102 絶縁層
103 接続電極
104 画素電極(下部電極)
105 接続部
106 接続部
107 光電変換膜
108 対向電極(上部電極)
109 緩衝層
110 封止層
111 カラーフィルタ(CF)
112 隔壁
113 遮光層
114 保護層
115 対向電極電圧供給部
116 読出し回路
Claims (22)
- 導電性膜、光電変換材料を含む光電変換膜、および透明導電性膜をこの順で積層してなる光電変換素子であって、
前記光電変換材料が、一般式(1)で表される化合物、一般式(2)で表される化合物、および、一般式(3)で表される化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む、光電変換素子。
(一般式(1)~(3)中、X1およびX2は、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子、=CR1aR1b、または、=NR1cである。Y1およびY2は、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子、>CR1dR1e、または、>SiR1fR1gである。R1a~R1gは、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Qは、一般式(4)~(8)で表される基からなる群から選択されるいずれか一つである。R1~R2は、それぞれ独立に、置換基を表す。R3~R24は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。nは、0または1を示す。
なお、n=1の場合、一般式(4)~(8)中の*1~*4で示される炭素原子は、それぞれ一般式(1)~(3)中の*1~*4で示される炭素原子に対応する。n=0の場合、一般式(1)~(3)で表される化合物は、それぞれ一般式(9)~(11)で表される化合物を表す。) - 一般式(1)~(3)中、R1およびR2が、置換基を有してもよいアリール基または置換基を有してもよいヘテロアリール基である、請求項1または2に記載の光電変換素子。
- 一般式(14)中、R30とR31、R30とR32、または、R31とR32が、それぞれ互いに直接または連結基を介して結合して環を形成する、請求項4に記載の光電変換素子。
- 一般式(1)~(3)中、n=0である、請求項1~7のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 一般式(1)~(3)においてR1とR2が同じ置換基である、請求項1~8のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- R1およびR2の両方が前記一般式(18)で表される基であり、X1およびX2が酸素原子であり、Y1およびY2が酸素原子であり、n=0であり、R1およびR2が同じ置換基である、請求項6に記載の光電変換素子。
- 前記光電変換膜が、さらに有機n型化合物を含む、請求項1~10のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記有機n型化合物が、フラーレンおよびその誘導体からなる群から選択されるフラーレン類を含む、請求項11に記載の光電変換素子。
- 前記フラーレン類と前記一般式(1)~(3)で表される化合物との合計に対する、前記フラーレン類の含有量比(前記フラーレン類の単層換算での膜厚/(前記一般式(1)~(3)で表される化合物の単層換算での膜厚+前記フラーレン類の単層換算での膜厚))が50体積%以上である、請求項12に記載の光電変換素子。
- 前記導電性膜と前記透明導電性膜との間に電荷ブロッキング膜が配置される、請求項1~13のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記導電性膜と、前記電荷ブロッキング膜と、前記光電変換膜と、前記透明導電性膜とをこの順に備える、または、前記導電性膜と、前記光電変換膜と、前記電荷ブロッキング膜と、前記透明導電性膜とをこの順に備える、請求項14に記載の光電変換素子。
- 光が前記透明導電性膜を介して前記光電変換膜に入射される、請求項1~15のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記透明導電性膜が、透明導電性金属酸化物からなる、請求項1~16のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 請求項1~17のいずれか1項に記載の光電変換素子を含む撮像素子。
- 請求項1~17のいずれか1項に記載の光電変換素子を含む光センサ。
- 請求項1~17のいずれか1項に記載の光電変換素子の使用方法であって、
前記導電性膜と前記透明導電性膜とが一対の電極であり、前記一対の電極間に1×10-4~1×107V/cmの電場を印加させる、光電変換素子の使用方法。
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