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JP2010283003A - Organic photoelectric conversion element, solar cell using the same, and optical sensor array - Google Patents

Organic photoelectric conversion element, solar cell using the same, and optical sensor array Download PDF

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JP2010283003A
JP2010283003A JP2009132881A JP2009132881A JP2010283003A JP 2010283003 A JP2010283003 A JP 2010283003A JP 2009132881 A JP2009132881 A JP 2009132881A JP 2009132881 A JP2009132881 A JP 2009132881A JP 2010283003 A JP2010283003 A JP 2010283003A
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organic photoelectric
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JP2009132881A
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Yasushi Okubo
康 大久保
Takahiko Nojima
隆彦 野島
Hiroaki Ito
宏明 伊東
Ayako Wachi
晃矢子 和地
Hiroshi Kita
弘志 北
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Konica Minolta Inc
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Konica Minolta Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic photoelectric conversion element which is high in the efficiency of photoelectric conversion and whose relative efficiency is not deteriorated greatly. <P>SOLUTION: The organic photoelectric conversion element includes a transparent electrode, a counter electrode, and a single or a plurality of organic layers between the transparent electrode and the counter electrode. The organic photoelectric conversion element where a compound having a cyclophane structure is contained in the organic layers, a solar battery using the element, and a photosensor array are disclosed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイに関し、さらに詳しくは、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子、この有機光電変換素子を用いた太陽電池、および光アレイセンサに関する。   The present invention relates to an organic photoelectric conversion element, a solar cell, and an optical sensor array, and more particularly to a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element, a solar cell using the organic photoelectric conversion element, and an optical array sensor.

近年の化石エネルギーの高騰によって、自然エネルギーから直接電力を発電できるシステムが求められており、単結晶・多結晶・アモルファスのSiを用いた太陽電池、GaAsやCIGSなどの化合物系の太陽電池、あるいは色素増感型光電変換素子(グレッツェルセル)などが提案・実用化されている。   Due to the recent rise in fossil energy, a system that can generate electric power directly from natural energy has been demanded. Solar cells using monocrystalline, polycrystalline, or amorphous Si, compound-based solar cells such as GaAs and CIGS, or Dye-sensitized photoelectric conversion elements (Gretzel cells) have been proposed and put into practical use.

しかしながら、これらの太陽電池で発電するコストは未だ化石燃料を用いて発電・送電される電気の価格よりも高いものとなっており、普及の妨げとなっていた。また、基板に重いガラスを用いなければならないため、設置時に補強工事が必要であり、これらも発電コストが高くなる一因であった。   However, the cost of generating electricity with these solar cells is still higher than the price of electricity generated and transmitted using fossil fuels, which has hindered widespread use. In addition, since heavy glass must be used for the substrate, reinforcement work is required at the time of installation, which is one of the causes that increase the power generation cost.

このような状況に対し、化石燃料による発電コストよりも低コストな発電コストを達成しうる太陽電池として、透明電極と対電極との間に電子供与体層(p型半導体層)と電子受容体層(n型半導体層)とが混合されたバルクヘテロジャンクション層を挟んだバルクヘテロジャンクション型光電変換素子が提案されて(例えば、非特許文献1参照)いる。   In such a situation, as a solar cell that can achieve a power generation cost lower than that of fossil fuel, an electron donor layer (p-type semiconductor layer) and an electron acceptor are provided between the transparent electrode and the counter electrode. A bulk heterojunction photoelectric conversion element having a bulk heterojunction layer mixed with a layer (n-type semiconductor layer) has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).

これらのバルクヘテロジャンクション型太陽電池においては、陽極・陰極以外は塗布プロセスで形成されているため、高速かつ安価な製造が可能であると期待され、前述の発電コストの課題を解決できる可能性がある。さらに、上記のSi系太陽電池・化合物半導体系太陽電池・色素増感太陽電池などと異なり、160℃より高温のプロセスがないため、安価かつ軽量なプラスチック基板上への形成も可能であると期待される。   Since these bulk heterojunction solar cells are formed by a coating process except for the anode and cathode, it is expected that they can be manufactured at high speed and at low cost, and may solve the above-mentioned problem of power generation cost. . Furthermore, unlike the Si solar cells, compound semiconductor solar cells, and dye-sensitized solar cells described above, there is no process at a temperature higher than 160 ° C., so it can be formed on a cheap and lightweight plastic substrate. Is done.

なお発電コストには、初期の製造コスト以外にも発電効率及び素子の耐久性も含めて算出されなければならないが、前記非特許文献1では、太陽光スペクトルを効率よく吸収するために、長波長まで吸収可能な有機高分子を用いることによって、5%を超える変換効率を達成するにいたっている。   In addition to the initial manufacturing cost, the power generation cost must be calculated including the power generation efficiency and the durability of the element. In Non-Patent Document 1, in order to efficiently absorb the solar spectrum, a long wavelength is used. By using an organic polymer capable of absorbing up to 5%, conversion efficiency exceeding 5% has been achieved.

有機薄膜太陽電池において高い光電変換効率を得るためには、正孔及び電子のキャリアをそれぞれ陽極と陰極まで取り出す経路を形成することが重要であるが(例えば、特許文献1、非特許文献2参照)、現状はp型半導体材料が加熱により結晶化し、結晶同士がある程度の確率で接触することを利用して、p型半導体材料からなる正孔のキャリアパスを形成し、他方でn型半導体はアモルファス状態でp型半導体材料の間隙を充填する形でn型半導体材料からなる電子のキャリアパスを形成するといった手法で正孔及び電子のキャリアパスを形成している。   In order to obtain high photoelectric conversion efficiency in an organic thin film solar cell, it is important to form paths for taking out holes and electron carriers to the anode and the cathode, respectively (for example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). ) Currently, p-type semiconductor material is crystallized by heating, and crystals are contacted with a certain probability to form a hole carrier path made of p-type semiconductor material, while n-type semiconductor is Hole and electron carrier paths are formed by a method of forming an electron carrier path made of an n-type semiconductor material in a state of filling the gap of the p-type semiconductor material in an amorphous state.

その結果、n型半導体材料は略球状のフラーレンであることから、n型材料はアモルファスでも比較的高い電子移動度を有するため、n型半導体材料内を比較的ロス無く電子を取り出すことができるが、p型半導体材料は結晶であるため、結晶欠陥や結晶粒界で正孔が失活しやすく、結果として高い光電変換効率が得られていない。   As a result, since the n-type semiconductor material is a substantially spherical fullerene, even if the n-type material is amorphous, it has a relatively high electron mobility, so that electrons can be extracted from the n-type semiconductor material without relatively loss. Since the p-type semiconductor material is a crystal, holes are easily deactivated at crystal defects and grain boundaries, and as a result, high photoelectric conversion efficiency is not obtained.

このような課題を解決するため、たとえばπ平面面積の大きい円盤状分子(例えば、非特許文献3参照)を用いることで解決しようとの試みもあるが、大きな効率改善には至っていない。これは、一般にディスコティック液晶等は極めて粘性が高いため、円盤状分子が基板面に対して垂直に積み重なったホメオトロピック配向を自発的に示し難い。そのため配向欠陥を発現したり、分割されたポリドメインを生じたりして、電荷輸送等を妨げてしまうという問題があるためである。   In order to solve such a problem, for example, there is an attempt to solve the problem by using a disk-like molecule having a large π plane area (see, for example, Non-Patent Document 3), but the efficiency has not been greatly improved. This is because discotic liquid crystals and the like are generally very viscous, and it is difficult to spontaneously exhibit homeotropic alignment in which discotic molecules are stacked perpendicular to the substrate surface. For this reason, there is a problem that an orientation defect is generated or a divided polydomain is generated, which impedes charge transport and the like.

本発明者らは、シクロファン構造に着目した。シクロファン構造は同一平面ではない略平行のπ共役面を、分子内に複数有する化合物である。このような化合物は、空間を介したπ共役によって共役がつながった化合物であることが知られている(例えば、非特許文献4参照)。   The inventors focused on the cyclophane structure. The cyclophane structure is a compound having a plurality of substantially parallel π-conjugated surfaces that are not coplanar in the molecule. Such a compound is known to be a compound in which conjugation is connected by π conjugation through a space (see, for example, Non-Patent Document 4).

このような構造の化合物が結晶化してパッキングした場合、どちらかのπ共役平面とスタックすれば分子間のπ電子移動が可能となるため、配向欠陥を生じたとしても分子間π電子移動が妨げられにくい結晶構造をとることが期待される。すなわち、高い光電変換効率と耐久性を有する有機光電変換素子が得られるものと期待される。   When a compound having such a structure is crystallized and packed, stacking with one of the π-conjugate planes enables intermolecular π-electron transfer, which prevents intermolecular π-electron transfer even if orientation defects occur. It is expected to have a crystal structure that is difficult to form. That is, it is expected that an organic photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and durability will be obtained.

また、発電層(バルクヘテロジャンクション層)に用いた場合だけでなく、発電層と電極との間に存在するキャリア輸送層として用いた場合でも、上述のような分子間π電子移動の欠陥が起こりにくいという特性から、キャリア輸送層、特に電子輸送層として用いた場合にも有用であることを見出した。   Further, not only when used as a power generation layer (bulk heterojunction layer) but also when used as a carrier transport layer existing between the power generation layer and the electrode, the above-described defects of intermolecular π electron transfer are unlikely to occur. From these characteristics, the present inventors have found that it is also useful when used as a carrier transport layer, particularly an electron transport layer.

特開2006−241124号公報JP 2006-241124 A

A.Heeger:Nature Mat.;vol.6(2007),p497A. Heeger: Nature Mat. Vol. 6 (2007), p497 Nature Mat.vol.4(2005),p37Nature Mat. vol. 4 (2005), p37 Chem.Lett.,vol.37(2008),p866Chem. Lett. , Vol. 37 (2008), p866 Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2004, 42(23), 5891〜5899Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2004, 42 (23), 5891-5899

本発明の目的は、高い光電変換効率を有し、かつ相対効率の低下が少ない有機光電変換素子とそれを用いた太陽電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an organic photoelectric conversion element having a high photoelectric conversion efficiency and a small decrease in relative efficiency, and a solar cell using the organic photoelectric conversion element.

本発明の上記目的は、以下の構成により達成することができる。   The above object of the present invention can be achieved by the following configuration.

1.透明電極、対電極、および透明電極と対電極の間に単数または複数の有機層を有する有機光電変換素子であって、前記有機層中にシクロファン構造を有する化合物を含有することを特徴とする有機光電変換素子。   1. An organic photoelectric conversion element having a transparent electrode, a counter electrode, and one or more organic layers between the transparent electrode and the counter electrode, wherein the organic layer contains a compound having a cyclophane structure Organic photoelectric conversion element.

2.前記シクロファン構造を有する化合物が、p型半導体材料とn型半導体材料とが混合されたバルクヘテロジャンクション層に存在していることを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。   2. 2. The organic photoelectric conversion device according to 1 above, wherein the compound having a cyclophane structure is present in a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed.

3.前記シクロファン構造が、[2,2]−パラシクロファン構造であることを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。   3. 2. The organic photoelectric conversion element as described in 1 above, wherein the cyclophane structure is a [2,2] -paracyclophane structure.

4.前記シクロファン構造が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする前記1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   4). 4. The organic photoelectric conversion device according to any one of 1 to 3, wherein the cyclophane structure is represented by the following general formula (1).

Figure 2010283003
Figure 2010283003

(式中、A〜Aは、それぞれ置換または無置換の、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基から選ばれる基を表す。)
5.前記一般式(1)のA〜Aで表される基が、下記一般式(2)で表される基であることを特徴とする前記1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
(Wherein A 1 to A 4 each represents a substituted or unsubstituted group selected from an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, and a heteroaryl group.)
5). The group represented by A 1 to A 4 in the general formula (1) is a group represented by the following general formula (2). Photoelectric conversion element.

Figure 2010283003
Figure 2010283003

(式中、R〜Rは、それぞれ置換または無置換の、アルキル基、シクロアルキル基、アルキルオキシ基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。Bは含窒素ヘテロアリール基を表す。それぞれ、pは1〜3、qは1又は2、rは1〜3の正の整数を表す。)
6.前記一般式(2)のRで表される基が、置換または無置換のフェニル基であることを特徴とする前記1〜4のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
(Wherein R 1 to R 5 each represents a substituted or unsubstituted alkyl group, cycloalkyl group, alkyloxy group, aryl group, or heteroaryl group. B 1 represents a nitrogen-containing heteroaryl group, respectively. P represents 1 to 3, q represents 1 or 2, and r represents a positive integer of 1 to 3.)
6). 5. The organic photoelectric conversion device according to any one of 1 to 4, wherein the group represented by R 5 in the general formula (2) is a substituted or unsubstituted phenyl group.

7.透明電極、対電極、および透明電極と対電極の間に、p型半導体材料とn型半導体材料とが混合されたバルクヘテロジャンクション層を有する有機光電変換素子であって、該バルクヘテロジャンクション層と透明電極または対電極との間に電子輸送層を有し、かつ、前記シクロファン構造を有する化合物を該電子輸送層に存在していることを特徴とする前記1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   7). An organic photoelectric conversion element having a transparent electrode, a counter electrode, and a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed between the transparent electrode and the counter electrode, the bulk heterojunction layer and the transparent electrode Alternatively, the electron transport layer is provided between the counter electrode and the compound having the cyclophane structure is present in the electron transport layer. Organic photoelectric conversion element.

8.前記7に記載のシクロファン構造を有する化合物が、下記一般式(3)で表されることを特徴とする前記7に記載の有機光電変換素子。   8). 8. The organic photoelectric conversion device as described in 7 above, wherein the compound having a cyclophane structure as described in 7 is represented by the following general formula (3).

Figure 2010283003
Figure 2010283003

(式中、X〜Xは、それぞれ置換または無置換の炭素原子または窒素原子を表す。Lは単結合または2価の連結基を表す。)
9.前記一般式(3)で表される化合物の、X〜Xのうち少なくとも1つが窒素原子であることを特徴とする前記7又は8に記載の有機光電変換素子。
(In the formula, X 1 to X 8 each represent a substituted or unsubstituted carbon atom or a nitrogen atom. L represents a single bond or a divalent linking group.)
9. 9. The organic photoelectric conversion device according to 7 or 8, wherein at least one of X 1 to X 8 of the compound represented by the general formula (3) is a nitrogen atom.

10.前記バルクヘテロジャンクション層が、溶液塗布法によって作製されたことを特徴とする前記2〜9のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   10. 10. The organic photoelectric conversion element according to any one of 2 to 9, wherein the bulk hetero junction layer is produced by a solution coating method.

11.前記1〜10のいずれか1項に記載の有機光電変換素子からなることを特徴とする太陽電池。   11. It consists of the organic photoelectric conversion element of any one of said 1-10, The solar cell characterized by the above-mentioned.

12.前記1〜10のいずれか1項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。   12 The organic photoelectric conversion element of any one of said 1-10 is arrange | positioned at array form, The optical sensor array characterized by the above-mentioned.

本発明により、高い変換効率を達成可能で、耐久性が高く、安価な製造を可能とする塗布プロセスに対応可能な有機薄膜太陽電池材料を提供することができた。   According to the present invention, an organic thin-film solar cell material capable of achieving a high conversion efficiency, having high durability, and capable of being applied to a coating process that enables low-cost manufacturing can be provided.

バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the solar cell which consists of a bulk hetero junction type organic photoelectric conversion element. p−i−nの三層構成の光電変換層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the solar cell which consists of an organic photoelectric conversion element provided with the photoelectric converting layer of the three-layer structure of p-i-n. タンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the solar cell which consists of an organic photoelectric conversion element provided with a tandem-type bulk heterojunction layer. 光センサアレイの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an optical sensor array.

本発明者らは、上記課題に対して鋭意検討したところ、前記一般式(1)で表される化合物が、バルクヘテロジャンクション層に存在していることで上記課題を達成できることを見出した。   The present inventors diligently examined the above problem, and found that the above problem can be achieved by the presence of the compound represented by the general formula (1) in the bulk heterojunction layer.

以下、本発明を更に詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

(有機光電変換素子および太陽電池の構成)
図1は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池の一例を示す断面図である。図1において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10は、基板11の一方面上に、透明電極(一般に陽極)12、正孔輸送層17、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部14、電子輸送層18及び対電極(一般に陰極)13が順次積層されている。
(Configuration of organic photoelectric conversion element and solar cell)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell composed of a bulk heterojunction organic photoelectric conversion element. In FIG. 1, a bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 10 includes a transparent electrode (generally an anode) 12, a hole transport layer 17, a bulk heterojunction layer photoelectric conversion unit 14, and an electron transport layer 18 on one surface of a substrate 11. And a counter electrode (generally a cathode) 13 are sequentially stacked.

基板11は、順次積層された透明電極12、光電変換部14及び対電極13を保持する部材である。本実施形態では、基板11側から光電変換される光が入射するので、基板11は、この光電変換される光を透過させることが可能な、すなわち、この光電変換すべき光の波長に対して透明な部材である。基板11は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が用いられる。この基板11は、必須ではなく、例えば、光電変換部14の両面に透明電極12及び対電極13を形成することでバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10が構成されてもよい。   The substrate 11 is a member that holds the transparent electrode 12, the photoelectric conversion unit 14, and the counter electrode 13 that are sequentially stacked. In the present embodiment, since light that is photoelectrically converted enters from the substrate 11 side, the substrate 11 can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, with respect to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. It is a transparent member. As the substrate 11, for example, a glass substrate or a resin substrate is used. The substrate 11 is not essential. For example, the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 10 may be configured by forming the transparent electrode 12 and the counter electrode 13 on both surfaces of the photoelectric conversion unit 14.

光電変換部14は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有して構成される。p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能する。ここで、電子供与体及び電子受容体は、“光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する電子供与体及び電子受容体”であり、電極のように単に電子を供与あるいは受容するものではなく、光反応によって、電子を供与あるいは受容するものである。   The photoelectric conversion unit 14 is a layer that converts light energy into electric energy, and includes a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed. The p-type semiconductor material functions relatively as an electron donor (donor), and the n-type semiconductor material functions relatively as an electron acceptor (acceptor). Here, the electron donor and the electron acceptor are “an electron donor in which, when light is absorbed, electrons move from the electron donor to the electron acceptor to form a hole-electron pair (charge separation state)”. And an electron acceptor ”, which does not simply donate or accept electrons like an electrode, but donates or accepts electrons by a photoreaction.

図1において、基板11を介して透明電極12から入射された光は、光電変換部14のバルクヘテロジャンクション層における電子受容体あるいは電子供与体で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。発生した電荷は、内部電界、例えば、透明電極12と対電極13の仕事関数が異なる場合では透明電極12と対電極13との電位差によって、電子は、電子受容体間を通り、また正孔は、電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。例えば、透明電極12の仕事関数が対電極13の仕事関数よりも大きい場合では、電子は、透明電極12へ、正孔は、対電極13へ輸送される。なお、仕事関数の大小が逆転すれば電子と正孔は、これとは逆方向に輸送される。また、透明電極12と対電極13との間に電位をかけることにより、電子と正孔の輸送方向を制御することもできる。   In FIG. 1, light incident from the transparent electrode 12 through the substrate 11 is absorbed by the electron acceptor or electron donor in the bulk heterojunction layer of the photoelectric conversion unit 14, and electrons move from the electron donor to the electron acceptor. Thus, a hole-electron pair (charge separation state) is formed. The generated electric charge is caused by an internal electric field, for example, when the work functions of the transparent electrode 12 and the counter electrode 13 are different, the electrons pass between the electron acceptors due to the potential difference between the transparent electrode 12 and the counter electrode 13, and the holes are , Passed between the electron donors and carried to different electrodes, and photocurrent is detected. For example, when the work function of the transparent electrode 12 is larger than the work function of the counter electrode 13, electrons are transported to the transparent electrode 12 and holes are transported to the counter electrode 13. If the magnitude of the work function is reversed, electrons and holes are transported in the opposite direction. In addition, by applying a potential between the transparent electrode 12 and the counter electrode 13, the transport direction of electrons and holes can be controlled.

なお図1には記載していないが、正孔ブロック層、電子ブロック層、電子注入層、正孔注入層、あるいは平滑化層等の他の層を有していてもよい。   Although not shown in FIG. 1, other layers such as a hole blocking layer, an electron blocking layer, an electron injection layer, a hole injection layer, or a smoothing layer may be included.

さらに好ましい構成としては、前記光電変換部14が、いわゆるp−i−nの三層構成となっている構成(図2)である。通常のバルクヘテロジャンクション層は、p型半導体材料とn型半導体層が混合した、14i層単体であるが、p型半導体材料単体からなる14p層、およびn型半導体材料単体からなる14n層で挟むことにより、正孔及び電子の整流性がより高くなり、電荷分離した正孔・電子の再結合等によるロスが低減され、一層高い光電変換効率を得ることができる。   As a more preferable configuration, the photoelectric conversion unit 14 has a so-called p-i-n three-layer configuration (FIG. 2). A normal bulk heterojunction layer is a 14i layer composed of a mixture of a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor layer, but is sandwiched between a 14p layer composed of a single p-type semiconductor material and a 14n layer composed of a single n-type semiconductor material. As a result, the rectification of holes and electrons becomes higher, loss due to recombination of charge-separated holes and electrons is reduced, and higher photoelectric conversion efficiency can be obtained.

さらに、太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、このような光電変換素子を積層した、タンデム型の構成としてもよい。図3は、タンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。タンデム型構成の場合、基板11上に、順次透明電極12、第1の光電変換部14′を積層した後、電荷再結合層15を積層した後、第2の光電変換部16、次いで対電極13を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。第2の光電変換部16は、第1の光電変換部14′の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層である。また第1の光電変換部14′、第2の光電変換部16がともに前述のp−i−nの三層構成であってもよい。   Furthermore, it is good also as a tandem-type structure which laminated | stacked such a photoelectric conversion element for the purpose of the improvement of sunlight utilization factor (photoelectric conversion efficiency). FIG. 3 is a cross-sectional view showing a solar cell composed of an organic photoelectric conversion element including a tandem bulk heterojunction layer. In the case of the tandem configuration, the transparent electrode 12 and the first photoelectric conversion unit 14 ′ are sequentially stacked on the substrate 11, the charge recombination layer 15 is stacked, the second photoelectric conversion unit 16, and then the counter electrode. By stacking 13, a tandem configuration can be obtained. The second photoelectric conversion unit 16 may be a layer that absorbs the same spectrum as the absorption spectrum of the first photoelectric conversion unit 14 'or may be a layer that absorbs a different spectrum, but is preferably a layer that absorbs a different spectrum. is there. Further, the first photoelectric conversion unit 14 ′ and the second photoelectric conversion unit 16 may both have the above-described three-layer configuration of pin.

以下に、これらの層を構成する材料について述べる。   Below, the material which comprises these layers is described.

〔p型半導体材料〕
本発明のバルクヘテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料としては、シクロファン構造を有する化合物を含有することが好ましい。
[P-type semiconductor materials]
The p-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer of the present invention preferably contains a compound having a cyclophane structure.

シクロファン構造は一般的に、2つの環を連結するアルキレン基の長さをx、yとし、連結位置がそれぞれパラ位である場合には[x、y−パラシクロファン]と記載される。メタ位である場合には、[x、y−メタシクロファン]である。   The cyclophane structure is generally described as [x, y-paracyclophane] when the length of the alkylene group connecting two rings is x and y, and the connecting positions are each in the para position. In the meta position, it is [x, y-metacyclophane].

これら互いに連結される2つの芳香族環は立体障害が発生するため、置換の位置によっては2つの環が平行とならず、2つの環の間の空間を介したπ−π相互作用が低下する場合がある。最も平行度が高く、2つの環の間の空間を介したπ−π相互作用がみられるのは、[2,2−パラシクロファン]である。したがって、本発明のp型半導体材料としては、[2,2−パラシクロファン]構造を含有する化合物であることが好ましい。   Since these two aromatic rings connected to each other cause steric hindrance, depending on the position of the substitution, the two rings are not parallel, and the π-π interaction through the space between the two rings decreases. There is a case. It is [2,2-paracyclophane] that has the highest degree of parallelism and shows π-π interaction through the space between the two rings. Therefore, the p-type semiconductor material of the present invention is preferably a compound containing a [2,2-paracyclophane] structure.

より好ましくは、前記一般式(1)で表される化合物が好ましい。   More preferably, the compound represented by the general formula (1) is preferable.

一般式(1)において、A〜Aで表される基は、それぞれ置換または無置換の、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基から選ばれる置換基である。 In the general formula (1), the groups represented by A 1 to A 4 are each a substituted or unsubstituted substituent selected from an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, and a heteroaryl group.

〜Aで表されるアルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、1,2−ジクロロエチレン基等を挙げることができる。 The alkenyl group represented by A 1 to A 4, for example, a vinyl group, an allyl group, 1,2-dichloroethylene group.

〜Aで表されるアルキニル基としては、例えば、エチニル基、プロパルギル基、ジエチニル基等を挙げることができる。 Examples of the alkynyl group represented by A 1 to A 4 include ethynyl group, propargyl group, and diethynyl group.

〜Aで表されるアリール基としては、例えば、フェニル基、p−クロロフェニル基、トリル基、キシリル基、メシチル基、ビフェニリル基等、またナフタレン環、アントラセン環、アズレン環、アセナフテン環、フルオレン環、フェナントレン環、インデン環、ピレン環、テトラセン環、ペンタセン環、ヘキサセン環、ベンゾピレン環、ベンゾアズレン環、クリセン環、ベンゾクリセン環、アセナフテン環、アセナフチレン環、トリフェニレン環、コロネン環、ベンゾコロネン環、ヘキサベンゾコロネン環、ベンゾフルオレン環、フルオランテン環、ペリレン環、ナフトペリレン環、ペンタベンゾペリレン環、ベンゾペリレン環、ペンタフェン環、ピセン環、ピラントレン環、コロネン環、ナフトコロネン環、オバレン環、アンスラアントレン環等の縮合芳香族炭化水素環の一部の水素を置き換えた置換基等を挙げることができる。 Examples of the aryl group represented by A 1 to A 4 include a phenyl group, a p-chlorophenyl group, a tolyl group, a xylyl group, a mesityl group, a biphenylyl group, a naphthalene ring, an anthracene ring, an azulene ring, an acenaphthene ring, Fluorene ring, phenanthrene ring, indene ring, pyrene ring, tetracene ring, pentacene ring, hexacene ring, benzopyrene ring, benzoazulene ring, chrysene ring, benzochrysene ring, acenaphthene ring, acenaphthylene ring, triphenylene ring, coronene ring, benzocoronene ring, hexa Benzocoronene ring, benzofluorene ring, fluoranthene ring, perylene ring, naphthoperylene ring, pentabenzoperylene ring, benzoperylene ring, pentaphen ring, picene ring, pyrantolen ring, coronene ring, naphthocoronene ring, ovalen ring, anthra It can be exemplified a substituent group is replaced a part of the hydrogen of the condensed aromatic hydrocarbon ring Ntoren ring.

〜Aで表されるヘテロアリール基としては、例えば、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、テトラジン環、キノリン環、イソキノリン環、アクリジン環、フェナントリジン環、キノキサリン環、シンノリン環、フタラジン環、キナゾリン環、ナフチリジン環、プテリジン環、フェナジン環、フェナントロリン環、ピロール環、ピラゾール環、イミダゾール環、トリアゾール環、インドール環、ベンゾイミダゾール環、カルバゾール環、プリン環、ピロロピロール環、ピラゾロトリアゾール環、ベンゾキノリン環、カルバゾール環、アザカルバゾール環、フェナジン環、フェナントリジン環、フェナントロリン環、カルボリン環、サイクラジン環、キンドリン環、テペニジン環、キニンドリン環、トリフェノジチアジン環、トリフェノジオキサジン環、フェナントラジン環、アントラジン環、ペリミジン環、ジアザカルバゾール環(カルボリン環を構成する炭素原子の任意の一つが窒素原子で置き換わったものを表す)、フェナントロリン環、フラン環、ベンゾフラン環、イソベンゾフラン環、ジベンゾフラン環、オキサゾール環、イソオキサゾール環、オキサジアゾール環、フラザン環、チオフェン環、ベンゾチオフェン環、チエノ[2,3−a]チオフェン環、チエノ[2,3−b]チオフェン環、アントラジチオフェン環、ジチアフルベン環、チアゾール環、ベンゾチアゾール環、ジベンゾチオフェン環、ベンゾジチオフェン環、アントラジチオフェン環、チオチオフテン環等の縮合芳香族炭化水素環の一部の水素を置き換えた置換基等を挙げることができる。 Examples of the heteroaryl group represented by A 1 to A 4 include a pyridine ring, pyridazine ring, pyrimidine ring, pyrazine ring, triazine ring, tetrazine ring, quinoline ring, isoquinoline ring, acridine ring, phenanthridine ring, and quinoxaline. Ring, cinnoline ring, phthalazine ring, quinazoline ring, naphthyridine ring, pteridine ring, phenazine ring, phenanthroline ring, pyrrole ring, pyrazole ring, imidazole ring, triazole ring, indole ring, benzimidazole ring, carbazole ring, purine ring, pyrrolopyrrole Ring, pyrazolotriazole ring, benzoquinoline ring, carbazole ring, azacarbazole ring, phenazine ring, phenanthridine ring, phenanthroline ring, carboline ring, cyclazine ring, quindrine ring, tepenidine ring, quinindrin ring, Phenodithiazine ring, triphenodioxazine ring, phenanthrazine ring, anthrazine ring, perimidine ring, diazacarbazole ring (representing any one of the carbon atoms constituting the carboline ring replaced by a nitrogen atom), phenanthroline ring, furan Ring, benzofuran ring, isobenzofuran ring, dibenzofuran ring, oxazole ring, isoxazole ring, oxadiazole ring, furazane ring, thiophene ring, benzothiophene ring, thieno [2,3-a] thiophene ring, thieno [2,3 -B] part of hydrogen of a condensed aromatic hydrocarbon ring such as a thiophene ring, anthradithiophene ring, dithiafulvene ring, thiazole ring, benzothiazole ring, dibenzothiophene ring, benzodithiophene ring, anthradithiophene ring, thiothiophene ring Replace with And the like can be given.

このような4置換パラシクロファン構造を有する化合物は、略円盤状化合物となり、分子間の接続が良好となるため、高い光電変換効率が得られることが期待される。置換基A〜Aで表される基の置換基としては、下記一般式(2)で表される置換基が好ましい。 A compound having such a 4-substituted paracyclophane structure becomes a substantially discotic compound, and the intermolecular connection is improved, so that high photoelectric conversion efficiency is expected. As the substituent of the group represented by the substituents A 1 to A 4 , a substituent represented by the following general formula (2) is preferable.

一般式(2)において、R〜Rは、それぞれ置換または無置換の、アルキル基、シクロアルキル基、アルキルオキシ基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。Bは含窒素ヘテロアリール基を表す。それぞれ、pは1〜3、qは1又は2、rは1〜3の正の整数を表す。 In the general formula (2), R 1 to R 5 each represents a substituted or unsubstituted alkyl group, cycloalkyl group, alkyloxy group, aryl group, or heteroaryl group. B 1 represents a nitrogen-containing heteroaryl group. P represents 1 to 3, q represents 1 or 2, and r represents a positive integer of 1 to 3, respectively.

一般式(2)のように、電子供与性であるチオフェン環と、電子受容性である含窒素ヘテロアリール基が交互に接続されることで、分子内電荷移動が起こり、バンドギャップを小さいものとすることが容易となる。中でも、非共有電子対がπ電子系に参加していない窒素原子を含む含窒素ヘテロアリール基であることが好ましい。   As shown in the general formula (2), the thiophene ring that is electron-donating and the nitrogen-containing heteroaryl group that is electron-accepting are alternately connected, so that intramolecular charge transfer occurs and the band gap is small. Easy to do. Among these, a non-shared electron pair is preferably a nitrogen-containing heteroaryl group containing a nitrogen atom that does not participate in the π-electron system.

〜Rで表されるアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、2−エチルヘキシル基、オクチル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基等が挙げられるが、前記のファスナー効果を得るためにはC6〜C20の直鎖アルキル基(n−ヘキシル基、n−オクチル基、n−ドデシル基等)を用いることが好ましい。 Examples of the alkyl group represented by R 1 to R 5 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a tert-butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a 2-ethylhexyl group, an octyl group, a dodecyl group, A tridecyl group, a tetradecyl group, a pentadecyl group and the like can be mentioned. In order to obtain the above-mentioned fastener effect, a C6-C20 linear alkyl group (n-hexyl group, n-octyl group, n-dodecyl group, etc.) is used. It is preferable.

〜Rで表されるシクロアルキル基としては、例えば、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等を挙げることができる。 Examples of the cycloalkyl group represented by R 1 to R 5 include a cyclopentyl group and a cyclohexyl group.

〜Rで表されるアルキルオキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロピルオキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、オクチルオキシ基、ドデシルオキシ基等を挙げることができる。 Examples of the alkyloxy group represented by R 1 to R 5 include a methoxy group, an ethoxy group, a propyloxy group, a pentyloxy group, a hexyloxy group, an octyloxy group, and a dodecyloxy group.

〜Rで表されるアリール基及びヘテロアリール基としては、上記一般式(1)で挙げた基を挙げることができる。 Examples of the aryl group and heteroaryl group represented by R 1 to R 5 include the groups exemplified in the general formula (1).

また、Bで表され含窒素ヘテロアリール基としては、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、テトラジン環、キノリン環、イソキノリン環、アクリジン環、フェナントリジン環、キノキサリン環、シンノリン環、フタラジン環、キナゾリン環、ナフチリジン環、プテリジン環、フェナジン環、フェナントロリン環、ピロール環、ピラゾール環、イミダゾール環、トリアゾール環、ベンゾイミダゾール環、プリン環、ジケトピロロピロール環、ピラゾロトリアゾール環、ベンゾキノリン環、アザカルバゾール環、フェナジン環、フェナントリジン環、フェナントロリン環、カルボリン環、サイクラジン環、キンドリン環、テペニジン環、キニンドリン環、トリフェノジチアジン環、トリフェノジオキサジン環、フェナントラジン環、アントラジン環、ペリミジン環、ジアザカルバゾール環(カルボリン環を構成する炭素原子の任意の一つが窒素原子で置き換わったものを表す)、オキサゾール環、イソオキサゾール環、オキサジアゾール環、フラザン環、チアゾール環、ベンゾチアゾール環、ベンゾチアジアゾール環等を挙げることができる。 Examples of the nitrogen-containing heteroaryl group represented by B 1 include pyridine ring, pyridazine ring, pyrimidine ring, pyrazine ring, triazine ring, tetrazine ring, quinoline ring, isoquinoline ring, acridine ring, phenanthridine ring, quinoxaline ring, Cinnoline ring, phthalazine ring, quinazoline ring, naphthyridine ring, pteridine ring, phenazine ring, phenanthroline ring, pyrrole ring, pyrazole ring, imidazole ring, triazole ring, benzimidazole ring, purine ring, diketopyrrolopyrrole ring, pyrazolotriazole ring Benzoquinoline ring, azacarbazole ring, phenazine ring, phenanthridine ring, phenanthroline ring, carboline ring, cyclazine ring, kindrin ring, tepenidine ring, quinindrine ring, triphenodithiazine ring, triphenodioxazine ring , Phenanthrazine ring, anthrazine ring, perimidine ring, diazacarbazole ring (representing any one of carbon atoms constituting the carboline ring replaced by a nitrogen atom), oxazole ring, isoxazole ring, oxadiazole ring , Furazane ring, thiazole ring, benzothiazole ring, benzothiadiazole ring and the like.

以下、本発明の一般式(1)で表される化合物の具体例を挙げるが、本発明はこれらに限定されない。   Hereinafter, although the specific example of a compound represented by General formula (1) of this invention is given, this invention is not limited to these.

Figure 2010283003
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これらの化合物は、Chemische Berichte; English; 126; 7; 1993; 1643、Journal of the American Chemical Society; English; 122; 7; 2000;1289、Journal of the American Chemical Society; English; 124; 18; 2002; 5183、等を参考として合成することができる。   These; Chemische Berichte; England; 126; 7; 1993; 1643; Journal of the American Chemical Society; enlist; 122; 7; 2000; 1289; Journal; 5183, etc. can be synthesized with reference.

本発明において、シクロファン構造を有する化合物の添加量は、バルクヘテロジャンクション層中の総固形分の、10〜75質量%で、好ましくは20〜50質量%である。   In this invention, the addition amount of the compound which has a cyclophane structure is 10-75 mass% of the total solid in a bulk heterojunction layer, Preferably it is 20-50 mass%.

なお、本発明の有機光電変換素子としては、上記のシクロファン化合物だけでなく、公知の種々のp型半導体材料(縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマー等)を併用することができる。また、後述するように、本発明のシクロファン化合物をキャリア輸送層として使用する場合には、バルクヘテロジャンクション層のp型半導体材料はすべて公知の化合物であってもよい。   As the organic photoelectric conversion element of the present invention, not only the above cyclophane compound but also various known p-type semiconductor materials (such as condensed polycyclic aromatic low molecular weight compounds and conjugated polymers) can be used in combination. . As will be described later, when the cyclophane compound of the present invention is used as a carrier transport layer, all of the p-type semiconductor materials of the bulk heterojunction layer may be known compounds.

縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。   Examples of the condensed polycyclic aromatic low-molecular compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, circumanthracene, bisanthene, zeslen, Compounds such as heptazeslen, pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, porphyrin, copper phthalocyanine, tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene (BEDTTTTF ) -Perchloric acid complexes, and derivatives and precursors thereof.

また上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号パンフレット、国際公開第03/28125号パンフレット、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004−107216号公報等に記載の置換基をもったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第2003/136964号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、J.Amer.Chem.Soc.,vol127.No14.4986、J.Amer.Chem.Soc.,vol.123、p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008)、No.9、2706等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物等、特開2008−16834号公報等に記載されているような熱変換型のポルフィリン化合物が挙げられる。   Examples of the derivative having the above-mentioned condensed polycycle include WO 03/16599 pamphlet, WO 03/28125 pamphlet, US Pat. No. 6,690,029, JP 2004-107216 A. A pentacene derivative having a substituent described in JP-A No. 2003-136964, a pentacene precursor described in US Patent Application Publication No. 2003/136964, and the like; Amer. Chem. Soc. , Vol127. No. 14.4986, J. MoI. Amer. Chem. Soc. , Vol. 123, p9482; Amer. Chem. Soc. , Vol. 130 (2008), no. No. 9, 2706 and the like, and a heat conversion type porphyrin compound as described in JP-A No. 2008-16834 and the like, such as an acene compound substituted with a trialkylsilylethynyl group.

共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC−17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、WO2008/000664号に記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv Mater,2007p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体,Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、Technical Digest of the International PVSEC−17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン等のポリマー材料が挙げられる。   Examples of the conjugated polymer include a polythiophene such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and an oligomer thereof, or a technical group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225. Polythiophene, Nature Material, (2006) vol. 5, p328, a polythiophene-thienothiophene copolymer described in WO 2008/000664, a polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO 2008/000664, a polythiophene-thiazolothiazole copolymer described in Adv Mater, 2007 p4160, Nature Mat. vol. 6 (2007), p497 described in PCPDTBT, polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, Σ conjugated polymers such as polysilane and polygerman, and polymer materials such as polythiophene having a polymerizable group described in Technical Digest of the International PVSEC-17, Fukuoka, Japan, 2007, P1225.

また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。   In addition, oligomer materials, not polymer materials, include thiophene hexamer α-seccithiophene α, ω-dihexyl-α-sexualthiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.

また本発明においては、高純度の精製が可能な点と、高い移動度の薄膜が得られるといった観点から、p型半導体材料は低分子化合物であることが好ましい。なお、本発明において低分子化合物とは、化合物の分子量に分布のない、単一分子であることを意味する。他方、高分子化合物とは、所定のモノマーを反応させることによって一定の分子量分布を有する化合物の集合体であることを意味する。しかし、実用上分子量によって定義をする際には、好ましくは分子量が3000以下の化合物を低分子化合物と区分する。より好ましくは2500以下、さらに好ましくは2000以下である。他方、分子量が2000以上、より好ましくは3000以上、さらに好ましくは5000以上の化合物を高分子化合物と区分する。なお、分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定することができる。   In the present invention, the p-type semiconductor material is preferably a low-molecular compound from the viewpoint that high-purity purification is possible and a thin film having high mobility can be obtained. In the present invention, the low molecular weight compound means a single molecule having no distribution in the molecular weight of the compound. On the other hand, the polymer compound means an aggregate of compounds having a certain molecular weight distribution by reacting a predetermined monomer. However, in practical terms, when defining by molecular weight, a compound having a molecular weight of 3000 or less is preferably classified as a low molecular compound. More preferably, it is 2500 or less, More preferably, it is 2000 or less. On the other hand, a compound having a molecular weight of 2000 or more, more preferably 3000 or more, and further preferably 5000 or more is classified as a polymer compound. The molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC).

[n型半導体材料]
本発明のバルクヘテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料としては、特に限定されないが、例えば、フラーレン、オクタアザポルフィリン等、p型半導体の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む高分子化合物等を挙げることができる。
[N-type semiconductor materials]
The n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer of the present invention is not particularly limited. Perfluorophthalocyanine), naphthalenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide and other aromatic carboxylic acid anhydrides and imidized compounds thereof as a skeleton Etc.

しかし、各種のp型半導体材料と高速(〜50fs)かつ効率的に電荷分離を行うことができる、フラーレン誘導体が好ましい。フラーレン誘導体としては、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層ナノチューブ、単層ナノチューブ、ナノホーン(円錐型)等、およびこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、シクロアルキル基、シリル基、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基、シリル基等によって置換されたフラーレン誘導体を挙げることができる。   However, fullerene derivatives that can perform charge separation with various p-type semiconductor materials at high speed (˜50 fs) and efficiently are preferable. Fullerene derivatives include fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, mixed fullerene, fullerene nanotubes, multi-walled nanotubes, single-walled nanotubes, nanohorns (conical), and the like. Partially by hydrogen atom, halogen atom, substituted or unsubstituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, heteroaryl group, cycloalkyl group, silyl group, ether group, thioether group, amino group, silyl group, etc. Examples thereof include substituted fullerene derivatives.

中でも[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッドメチルエステル(略称PCBM)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nブチルエステル(PCBnB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−イソブチルエステル(PCBiB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nヘキシルエステル(PCBH)、Adv.Mater.,vol.20(2008),p2116等に記載のbis−PCBM、特開2006−199674号公報等のアミノ化フラーレン、特開2008−130889号公報等のメタロセン化フラーレン、米国特許第7329709号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレン等のような、置換基を有してより溶解性が向上したフラーレン誘導体を用いることが好ましい。   Among them, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-nbutyl ester (PCBnB), [6,6] -phenyl C61-buty Rick acid-isobutyl ester (PCBiB), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n hexyl ester (PCBH), Adv. Mater. , Vol. 20 (2008), p2116, etc., aminated fullerenes such as JP-A 2006-199674, metallocene fullerenes such as JP-A 2008-130889, and cyclics such as US Pat. No. 7,329,709. It is preferable to use a fullerene derivative having a substituent and having improved solubility, such as fullerene having an ether group.

〔バルクヘテロジャンクション層の形成方法〕
電子受容体と電子供与体とが混合されたバルクヘテロジャンクション層の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、前述の正孔と電子が電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法が好ましい。また塗布法は、製造速度にも優れている。
[Method of forming bulk heterojunction layer]
Examples of a method for forming a bulk heterojunction layer in which an electron acceptor and an electron donor are mixed include a vapor deposition method and a coating method (including a casting method and a spin coating method). Among these, the coating method is preferable in order to increase the area of the interface where charges and electrons are separated from each other as described above and to produce a device having high photoelectric conversion efficiency. The coating method is also excellent in production speed.

塗布後は残留溶媒及び水分、ガスの除去、及び半導体材料の結晶化による移動度向上・吸収長波化を引き起こすために加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集または結晶化が促進され、バルクヘテロジャンクション層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、バルクヘテロジャンクション層のキャリア移動度が向上し、高い効率を得ることができるようになる。   After coating, it is preferable to perform heating in order to cause removal of residual solvent, moisture and gas, and improvement of mobility and absorption longwave due to crystallization of the semiconductor material. When annealing is performed at a predetermined temperature during the manufacturing process, a part of the particles is microscopically aggregated or crystallized, and the bulk heterojunction layer can have an appropriate phase separation structure. As a result, the carrier mobility of the bulk heterojunction layer is improved and high efficiency can be obtained.

光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)14は、電子受容体と電子供与体とが均一に混在された単一層で構成してもよいが、電子受容体と電子供与体との混合比を変えた複数層で構成してもよい。この場合、前述したような塗布後に不溶化できるような材料を用いることで形成することが可能となる。   The photoelectric conversion part (bulk heterojunction layer) 14 may be composed of a single layer in which the electron acceptor and the electron donor are uniformly mixed, but a plurality of the mixture ratios of the electron acceptor and the electron donor are changed. It may consist of layers. In this case, it can be formed by using a material that can be insolubilized after coating as described above.

〔電子輸送層・正孔ブロック層〕
本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陰極との中間に電子輸送層18を形成することで、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
[Electron transport layer / hole blocking layer]
Since the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention can take out the electric charges generated in the bulk heterojunction layer more efficiently by forming the electron transport layer 18 between the bulk heterojunction layer and the cathode. It is preferable to have this layer.

電子輸送層18としては、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)を用いることができるが、同様に、バルクヘテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した正孔を陰極側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。より好ましくは、n型半導体のHOMO準位よりも深い材料を電子輸送層として用いることである。また、電子を輸送する特性から、電子移動度の高い化合物を用いることが好ましい。   As the electron transport layer 18, octaazaporphyrin and a p-type semiconductor perfluoro (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.) can be used. Similarly, a HOMO of a p-type semiconductor material used for a bulk heterojunction layer. The electron transport layer having a HOMO level deeper than the level is given a hole blocking function having a rectifying effect so that holes generated in the bulk heterojunction layer do not flow to the cathode side. More preferably, a material deeper than the HOMO level of the n-type semiconductor is used as the electron transport layer. Moreover, it is preferable to use a compound with high electron mobility from the characteristic of transporting electrons.

このような電子輸送層は、正孔ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する電子輸送層を使用するほうが好ましい。このような材料としては、バソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型半導体材料、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物及びフッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属化合物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたn型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。   Such an electron transport layer is also called a hole blocking layer, and it is preferable to use an electron transport layer having such a function. Examples of such materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type semiconductor materials such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, perylenetetracarboxylic acid diimide, and titanium oxide. N-type inorganic oxides such as zinc oxide and gallium oxide, and alkali metal compounds such as lithium fluoride, sodium fluoride, and cesium fluoride can be used. A layer made of a single n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer can also be used.

より好ましくは、電子輸送層・正孔ブロック層としても、キャリア輸送性の高いシクロファン化合物を用いることである。但し電子輸送層として用いる場合、発電層に用いる場合と異なり光を吸収する機能は必ずしも必要なく、キャリア輸送性にのみフォーカスされた化合物でもよい。そのような観点から、電子輸送層・正孔ブロック層として用いる場合には、前記一般式(3)で表されるような化合物であることが好ましい。   More preferably, a cyclophane compound having a high carrier transport property is used as the electron transport layer / hole blocking layer. However, when used as an electron transport layer, unlike the case of using it as a power generation layer, a function of absorbing light is not necessarily required, and a compound focused only on carrier transport properties may be used. From such a viewpoint, when used as an electron transport layer / hole blocking layer, a compound represented by the general formula (3) is preferable.

一般式(3)において、X〜Xは、それぞれ置換または無置換の炭素原子または窒素原子を表す。Lは単結合または2価の連結基を表す。2価の連結基としては、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基、ヘテロアリーレン基、シリレン基等を挙げることができる。より好ましくは、X〜Xのうち少なくとも1つが窒素原子である化合物であり、さらに好ましくはX〜Xのうち少なくとも1つが窒素原子である化合物である。最も好ましくは、XおよびXが窒素原子である化合物である。 In the general formula (3), X 1 ~X 8 each represents a substituted or unsubstituted carbon atom or a nitrogen atom. L represents a single bond or a divalent linking group. Examples of the divalent linking group include an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, an arylene group, a heteroarylene group, and a silylene group. More preferably, it is a compound in which at least one of X 1 to X 8 is a nitrogen atom, and further preferred is a compound in which at least one of X 3 to X 6 is a nitrogen atom. Most preferred is a compound wherein X 3 and X 6 are nitrogen atoms.

以下、本発明の一般式(3)で表される化合物の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されない。   Hereinafter, although the specific example of a compound represented by General formula (3) of this invention is shown, this invention is not limited to these.

Figure 2010283003
Figure 2010283003

Figure 2010283003
Figure 2010283003

本発明においては、高純度の精製が可能な点と、高い移動度の薄膜が得られるといった観点から、正孔ブロック層材料は低分子化合物であることが好ましい。なお、本発明において低分子化合物とは、化合物の分子量に分布のない、単一分子であることを意味する。他方、高分子化合物とは、所定のモノマーを反応させることによって一定の分子量分布を有する化合物の集合体であることを意味する。しかし、実用上分子量によって定義をする際には、好ましくは分子量が3000以下の化合物を低分子化合物と区分する。より好ましくは2500以下、さらに好ましくは2000以下である。他方、分子量が2000以上、より好ましくは3000以上、さらに好ましくは5000以上の化合物を高分子化合物と区分する。なお、分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定することができる。   In the present invention, the hole blocking layer material is preferably a low-molecular compound from the viewpoint that high-purity purification is possible and a thin film with high mobility can be obtained. In the present invention, the low molecular weight compound means a single molecule having no distribution in the molecular weight of the compound. On the other hand, the polymer compound means an aggregate of compounds having a certain molecular weight distribution by reacting a predetermined monomer. However, in practical terms, when defining by molecular weight, a compound having a molecular weight of 3000 or less is preferably classified as a low molecular compound. More preferably, it is 2500 or less, More preferably, it is 2000 or less. On the other hand, a compound having a molecular weight of 2000 or more, more preferably 3000 or more, and further preferably 5000 or more is classified as a polymer compound. The molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC).

これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。   The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method.

〔正孔輸送層・電子ブロック層〕
本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陽極との中間には正孔輸送層17を、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
[Hole Transport Layer / Electron Blocking Layer]
In the organic photoelectric conversion element 10 of the present invention, the hole transport layer 17 can be taken out between the bulk heterojunction layer and the anode, and charges generated in the bulk heterojunction layer can be taken out more efficiently. It is preferable to have.

これらの層を構成する材料としては、例えば、正孔輸送層17としては、スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP等のPEDOT、ポリアニリン及びそのドープ材料、WO2006/019270号等に記載のシアン化合物、などを用いることができる。なお、バルクヘテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料のLUMO準位よりも浅いLUMO準位を有する正孔輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した電子を陽極側には流さないような整流効果を有する、電子ブロック機能が付与される。このような正孔輸送層は、電子ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する正孔輸送層を使用するほうが好ましい。このような材料としては、特開平5−271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。バルクヘテロジャンクション層を形成する前に、下層に塗布膜を形成すると塗布面をレベリングする効果があり、リーク等の影響が低減するため好ましい。   As the material constituting these layers, for example, as the hole transport layer 17, PEDOT such as trade name BaytronP, polyaniline and its doped material, a cyanide compound described in WO2006 / 019270, etc. Etc. can be used. Note that the hole transport layer having a LUMO level shallower than the LUMO level of the n-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer has a rectifying effect that prevents electrons generated in the bulk heterojunction layer from flowing to the anode side. It has an electronic block function. Such a hole transport layer is also called an electron block layer, and it is preferable to use a hole transport layer having such a function. As such a material, a triarylamine compound described in JP-A-5-271166 or a metal oxide such as molybdenum oxide, nickel oxide, or tungsten oxide can be used. A layer made of a single p-type semiconductor material used for the bulk heterojunction layer can also be used. The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method. Forming the coating film in the lower layer before forming the bulk heterojunction layer is preferable because it has the effect of leveling the coating surface and reduces the influence of leakage and the like.

〔その他の層〕
エネルギー変換効率の向上や、素子寿命の向上を目的に、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。中間層の例としては、正孔ブロック層、電子ブロック層、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層などを挙げることができる。
[Other layers]
For the purpose of improving energy conversion efficiency and improving the lifetime of the element, a structure having various intermediate layers in the element may be employed. Examples of the intermediate layer include a hole block layer, an electron block layer, a hole injection layer, an electron injection layer, an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, and a wavelength conversion layer.

<電極>
本発明に関わる光電変換素子においては、少なくとも陽極と陰極とを有する。また、タンデム構成をとる場合には中間電極を用いることでタンデム構成を達成することができる。なお本発明においては主に正孔が流れる電極を陽極と呼び、主に電子が流れる電極を陰極と呼ぶ。
<Electrode>
The photoelectric conversion element according to the present invention has at least an anode and a cathode. Further, when a tandem configuration is adopted, the tandem configuration can be achieved by using an intermediate electrode. In the present invention, an electrode through which holes mainly flow is called an anode, and an electrode through which electrons mainly flow is called a cathode.

また透光性があるかどうかといった機能から、透光性のある電極を透明電極と呼び、透光性のない電極を対電極と呼び分ける場合がある。通常、陽極は透光性のある透明電極であり、陰極は透光性のない対電極である。   Further, because of the function of whether or not there is a light-transmitting property, a light-transmitting electrode may be called a transparent electrode, and a non-light-transmitting electrode may be called a counter electrode. Usually, the anode is a translucent transparent electrode, and the cathode is a non-translucent counter electrode.

〔陽極〕
本発明の陽極は、好ましくは380〜800nmの光を透過する電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ用いることができる。
〔anode〕
The anode of the present invention is preferably an electrode that transmits light of 380 to 800 nm. As the material, for example, transparent conductive metal oxides such as indium tin oxide (ITO), SnO 2 and ZnO, metal thin films such as gold, silver and platinum, metal nanowires and carbon nanotubes can be used.

またポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリアズレン、ポリイソチアナフテン、ポリカルバゾール、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレン及びポリナフタレンの各誘導体からなる群より選ばれる導電性高分子等も用いることができる。また、これらの導電性化合物を複数組み合わせて陽極とすることもできる。   Also, a conductive material selected from the group consisting of polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenylacetylene, polydiacetylene and polynaphthalene. A functional polymer can also be used. Further, a plurality of these conductive compounds can be combined to form an anode.

〔陰極〕
陰極は導電材単独層であっても良いが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用しても良い。陰極の導電材としては、仕事関数の小さい(4eV以下)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。これらの中で、電子の取り出し性能及び酸化等に対する耐久性の点から、これら金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。陰極はこれらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、膜厚は通常10nm〜5μm、好ましくは50〜200nmの範囲で選ばれる。
〔cathode〕
The cathode may be a single layer of a conductive material, but in addition to a conductive material, a resin that holds these may be used in combination. As a conductive material for the cathode, a material having a work function (4 eV or less) metal, alloy, electrically conductive compound, and a mixture thereof as an electrode material is used. Specific examples of such electrode materials include sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, magnesium / copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3) mixture, indium, a lithium / aluminum mixture, and rare earth metals. Among these, in view of electron extraction performance and durability against oxidation, etc., a mixture of these metals and a second metal which is a stable metal having a larger work function value than this, for example, a magnesium / silver mixture, magnesium / Aluminum mixtures, magnesium / indium mixtures, aluminum / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixtures, lithium / aluminum mixtures, aluminum and the like are preferred. The cathode can be produced by forming a thin film of these electrode materials by a method such as vapor deposition or sputtering. The film thickness is usually selected in the range of 10 nm to 5 μm, preferably 50 to 200 nm.

陰極の導電材として金属材料を用いれば陰極側に来た光は反射されて第1電極側に反射され、この光が再利用可能となり、光電変換層で再度吸収され、より光電変換効率が向上し好ましい。   If a metal material is used as the conductive material of the cathode, the light coming to the cathode side is reflected and reflected to the first electrode side, and this light can be reused and absorbed again by the photoelectric conversion layer, further improving the photoelectric conversion efficiency. It is preferable.

また、陰極13は、金属(例えば金、銀、銅、白金、ロジウム、ルテニウム、アルミニウム、マグネシウム、インジウム等)、炭素からなるナノ粒子、ナノワイヤー、ナノ構造体であってもよく、ナノワイヤーの分散物であれば、透明で導電性の高い陰極を塗布法により形成でき好ましい。   Further, the cathode 13 may be a metal (for example, gold, silver, copper, platinum, rhodium, ruthenium, aluminum, magnesium, indium, etc.), a nanoparticle made of carbon, a nanowire, or a nanostructure. A dispersion is preferable because a transparent and highly conductive cathode can be formed by a coating method.

また、陰極側を光透過性とする場合は、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、銀及び銀化合物等の陰極に適した導電性材料を薄く1〜20nm程度の膜厚で作製した後、上記陽極の説明で挙げた導電性光透過性材料の膜を設けることで、光透過性陰極とすることができる。   When the cathode side is made light transmissive, for example, a conductive material suitable for the cathode, such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound, is formed with a thin film thickness of about 1 to 20 nm, and By providing a film of the conductive light-transmitting material mentioned in the description, a light-transmitting cathode can be obtained.

〔中間電極〕
また、前記図3のようなタンデム構成の場合に必要となる中間電極の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、前記陽極で用いたような材料(ITO、AZO、FTO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の非常に薄い金属層またはナノ粒子・ナノワイヤーを含有する層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等)を用いることができる。
[Intermediate electrode]
The intermediate electrode material required in the case of the tandem structure as shown in FIG. 3 is preferably a layer using a compound having both transparency and conductivity. Transparent metal oxides such as ITO, AZO, FTO and titanium oxide, very thin metal layers such as Ag, Al and Au, or layers containing nanoparticles / nanowires, conductive polymer materials such as PEDOT: PSS and polyaniline Etc.) can be used.

なお前述した正孔輸送層と電子輸送層の中には、適切に組み合わせて積層することで中間電極(電荷再結合層)として働く組み合わせもあり、このような構成とすると1層形成する工程を省くことができ好ましい。   In addition, in the hole transport layer and the electron transport layer described above, there is also a combination that works as an intermediate electrode (charge recombination layer) by appropriately combining and laminating, and with such a configuration, the process of forming one layer This is preferable because it can be omitted.

〔基板〕
基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即ちこの光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜800nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。中でも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度及びコストの点から、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリカーボネートフィルムであることが好ましく、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルムであることがより好ましい。
〔substrate〕
When light that is photoelectrically converted enters from the substrate side, the substrate is preferably a member that can transmit the light that is photoelectrically converted, that is, a member that is transparent to the wavelength of the light to be photoelectrically converted. As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate and the like are preferably mentioned, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of lightness and flexibility. There is no restriction | limiting in particular in the transparent resin film which can be preferably used as a transparent substrate by this invention, The material, a shape, a structure, thickness, etc. can be suitably selected from well-known things. For example, polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN) modified polyester, polyethylene (PE) resin film, polypropylene (PP) resin film, polystyrene resin film, polyolefin resins such as cyclic olefin resin Film, vinyl resin film such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyether ether ketone (PEEK) resin film, polysulfone (PSF) resin film, polyether sulfone (PES) resin film, polycarbonate (PC) resin film, A polyamide resin film, a polyimide resin film, an acrylic resin film, a triacetyl cellulose (TAC) resin film, and the like can be given. If the resin film transmittance of 80% or more at ~800nm), can be preferably applied to a transparent resin film according to the present invention. Among these, from the viewpoint of transparency, heat resistance, ease of handling, strength and cost, it is preferably a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, a biaxially stretched polyethylene naphthalate film, a polyethersulfone film, or a polycarbonate film, and biaxially stretched. A polyethylene terephthalate film and a biaxially stretched polyethylene naphthalate film are more preferable.

本発明に用いられる透明基板には、塗布液の濡れ性や接着性を確保するために、表面処理を施すことや易接着層を設けることができる。表面処理や易接着層については従来公知の技術を使用できる。例えば、表面処理としては、コロナ放電処理、火炎処理、紫外線処理、高周波処理、グロー放電処理、活性プラズマ処理、レーザー処理等の表面活性化処理を挙げることができる。また、易接着層としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ビニル系共重合体、ブタジエン系共重合体、アクリル系共重合体、ビニリデン系共重合体、エポキシ系共重合体等を挙げることができる。   The transparent substrate used in the present invention can be subjected to a surface treatment or an easy adhesion layer in order to ensure the wettability and adhesiveness of the coating solution. A conventionally well-known technique can be used about a surface treatment or an easily bonding layer. For example, the surface treatment includes surface activation treatment such as corona discharge treatment, flame treatment, ultraviolet treatment, high frequency treatment, glow discharge treatment, active plasma treatment, and laser treatment. Examples of the easy adhesion layer include polyester, polyamide, polyurethane, vinyl copolymer, butadiene copolymer, acrylic copolymer, vinylidene copolymer, and epoxy copolymer.

また、酸素及び水蒸気の透過を抑制する目的で、透明基板にはバリアコート層が予め形成されていてもよいし、透明導電層を転写する反対側にはハードコート層が予め形成されていてもよい。   Further, for the purpose of suppressing the permeation of oxygen and water vapor, a barrier coat layer may be formed in advance on the transparent substrate, or a hard coat layer may be formed in advance on the opposite side to which the transparent conductive layer is transferred. Good.

〔光学機能層〕
本発明の有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していて良い。光学機能層としては、たとえば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、陰極で反射した光を散乱させて再度発電層に入射させることができるような光拡散層などを設けても良い。
(Optical function layer)
The organic photoelectric conversion element of the present invention may have various optical functional layers for the purpose of more efficient reception of sunlight. As the optical functional layer, for example, a light condensing layer such as an antireflection film or a microlens array, or a light diffusion layer that can scatter light reflected by the cathode and enter the power generation layer again may be provided. .

反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57〜1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。屈折率を調整する方法としては、酸化スズゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダー樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。   Various known antireflection layers can be provided as the antireflection layer. For example, when the transparent resin film is a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, the refractive index of the easy adhesion layer adjacent to the film is 1.57. It is more preferable to set it to ˜1.63 because the interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer can be reduced and the transmittance can be improved. The method for adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin. The easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.

集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。   As the condensing layer, for example, it is processed so as to provide a structure on the microlens array on the sunlight receiving side of the support substrate, or the amount of light received from a specific direction is increased by combining with a so-called condensing sheet. Conversely, the incident angle dependency of sunlight can be reduced.

マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10〜100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。   As an example of the microlens array, quadrangular pyramids having a side of 30 μm and an apex angle of 90 degrees are two-dimensionally arranged on the light extraction side of the substrate. One side is preferably 10 to 100 μm. If it is smaller than this, the effect of diffraction is generated and colored.

また光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物などのナノ粒子・ナノワイヤー等を無色透明なポリマーに分散した層などを挙げることができる。   Examples of the light scattering layer include various antiglare layers, layers in which nanoparticles or nanowires such as metals or various inorganic oxides are dispersed in a colorless and transparent polymer, and the like.

〔パターニング〕
本発明に係る電極、発電層、正孔輸送層、電子輸送層等をパターニングする方法やプロセスには特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。
[Patterning]
The method and process for patterning the electrode, the power generation layer, the hole transport layer, the electron transport layer, and the like according to the present invention are not particularly limited, and known methods can be appropriately applied.

バルクヘテロジャンクション層、輸送層等の可溶性の材料であれば、ダイコート、ディップコート等の全面塗布後に不要部だけ拭き取っても良いし、インクジェット法やスクリーン印刷等の方法を使用して塗布時に直接パターニングしても良い。   If it is a soluble material such as a bulk heterojunction layer and a transport layer, only unnecessary portions may be wiped after the entire surface of die coating, dip coating, etc., or direct patterning at the time of coating using a method such as an ink jet method or screen printing. May be.

電極材料などの不溶性の材料の場合は、電極を真空堆積時にマスク蒸着を行ったり、エッチング又はリフトオフ等の公知の方法によってパターニングすることができる。また、別の基板上に形成したパターンを転写することによってパターンを形成しても良い。   In the case of an insoluble material such as an electrode material, the electrode can be patterned by a known method such as mask vapor deposition during vacuum deposition or etching or lift-off. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.

(封止)
また、作製した有機光電変換素子10が環境中の酸素、水分等で劣化しないために、有機光電変換素子だけでなく有機エレクトロルミネッセンス素子などで公知の手法によって封止することが好ましい。例えば、アルミまたはガラスでできたキャップを接着剤によって接着することによって封止する手法、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等のガスバリア層が形成されたプラスチックフィルムと有機光電変換素子上10を接着剤で貼合する手法、ガスバリア性の高い有機高分子材料(ポリビニルアルコール等)をスピンコートする方法、ガスバリア性の高い無機薄膜(酸化ケイ素、酸化アルミニウム等)または有機膜(パリレン等)を真空下で堆積する方法、及びこれらを複合的に積層する方法等を挙げることができる。
(Sealing)
Moreover, since the produced organic photoelectric conversion element 10 does not deteriorate with oxygen, moisture, etc. in the environment, it is preferable to seal not only the organic photoelectric conversion element but also an organic electroluminescence element by a known method. For example, a method of sealing a cap made of aluminum or glass by bonding with an adhesive, a plastic film on which a gas barrier layer such as aluminum, silicon oxide, or aluminum oxide is formed and the organic photoelectric conversion element top 10 with an adhesive Method of bonding, spin coating of organic polymer materials with high gas barrier properties (polyvinyl alcohol, etc.), inorganic thin films with high gas barrier properties (silicon oxide, aluminum oxide, etc.) or organic films (parylene, etc.) deposited under vacuum And a method of laminating these in a composite manner.

(光センサアレイ)
次に、以上説明したバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10を応用した光センサアレイについて詳細に説明する。光センサアレイは、前記のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が受光によって電流を発生することを利用して、前記の光電変換素子を細かく画素状に並べて作製し、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する効果を有するセンサである。
(Optical sensor array)
Next, an optical sensor array to which the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 10 described above is applied will be described in detail. The optical sensor array is produced by arranging the photoelectric conversion elements in a fine pixel form by utilizing the fact that the bulk heterojunction type organic photoelectric conversion elements generate a current upon receiving light, and projected onto the optical sensor array. A sensor having an effect of converting an image into an electrical signal.

図4は、光センサアレイの構成を示す図である。図4(A)は、上面図であり、図4(B)は、図4(A)のA−A’線断面図である。   FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the photosensor array. 4A is a top view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG.

図4において、光センサアレイ20は、保持部材としての基板21上に、下部電極としての陽極22、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部24及び陽極22と対をなし、上部電極としての陰極23が順次積層されたものである。光電変換部24は、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有してなる光電変換層24bと、バッファ層24aとの2層で構成される。図4に示す例では、6個のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が形成されている。   In FIG. 4, an optical sensor array 20 is paired with an anode 22 as a lower electrode, a photoelectric conversion unit 24 for converting light energy into electrical energy, and an anode 22 on a substrate 21 as a holding member. The cathode 23 is sequentially laminated. The photoelectric conversion unit 24 includes two layers, a photoelectric conversion layer 24b having a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are uniformly mixed, and a buffer layer 24a. In the example shown in FIG. 4, six bulk heterojunction type organic photoelectric conversion elements are formed.

これら基板21、陽極22、光電変換層24b及び陰極23は、前述したバルクヘテロジャンクション型の光電変換素子10における陽極12、光電変換部14及び陰極13と同等の構成及び役割を示すものである。   The substrate 21, the anode 22, the photoelectric conversion layer 24b, and the cathode 23 have the same configuration and role as the anode 12, the photoelectric conversion unit 14, and the cathode 13 in the bulk heterojunction photoelectric conversion element 10 described above.

基板21には、例えば、ガラスが用いられ、陽極22には、例えば、ITOが用いられ、陰極23には、例えば、アルミニウムが用いられる。そして、光電変換層24bのp型半導体材料には、例えば、前記BP−1前駆体が用いられ、n型半導体材料には、例えば、前記例示化合物13が用いられる。また、バッファ層24aには、PEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)−PSS(ポリスチレンスルホン酸)導電性高分子(スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP)が用いられる。このような光センサアレイ20は、次のようにして製作された。   For example, glass is used for the substrate 21, ITO is used for the anode 22, and aluminum is used for the cathode 23, for example. For example, the BP-1 precursor is used for the p-type semiconductor material of the photoelectric conversion layer 24b, and for example, the exemplified compound 13 is used for the n-type semiconductor material. The buffer layer 24a is made of PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene) -PSS (polystyrene sulfonic acid) conductive polymer (trade name BaytronP, manufactured by Stark Vitec). Such an optical sensor array 20 was manufactured as follows.

ガラス基板上にスパッタリングによりITO膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定のパターン形状に加工した。ガラス基板の厚さは、0.7mm、ITO膜の厚さは、200nm、フォトリソグラフィ後のITO膜における測定部面積(受光面積)は、0.5mm×0.5mmであった。次に、このガラス基板21上に、スピンコート法(条件;回転数=1000rpm、フィルター径=1.2μm)によりPEDOT−PSS膜を形成した。その後、該基板を、オーブンで140℃、10分加熱し、乾燥させた。乾燥後のPEDOT−PSS膜の厚さは30nmであった。   An ITO film was formed on the glass substrate by sputtering and processed into a predetermined pattern shape by photolithography. The thickness of the glass substrate was 0.7 mm, the thickness of the ITO film was 200 nm, and the measurement area (light receiving area) of the ITO film after photolithography was 0.5 mm × 0.5 mm. Next, a PEDOT-PSS film was formed on the glass substrate 21 by spin coating (conditions: rotational speed = 1000 rpm, filter diameter = 1.2 μm). Thereafter, the substrate was heated in an oven at 140 ° C. for 10 minutes and dried. The thickness of the PEDOT-PSS film after drying was 30 nm.

次に、上記PEDOT−PSS膜の上に、例示化合物3とPCBMの1:1混合膜を、スピンコート法(条件;回転数=3300rpm、フィルター径=0.8μm)により形成した。このスピンコートに際しては、P3HTおよびPCBMをクロロベンゼン溶媒に=1:1で混合し、これを攪拌(5分)して得た混合液を用いた。例示化合物3とPCBMの混合膜の形成後、窒素ガス雰囲気下においてオーブンで180℃、30分加熱しアニール処理を施した。アニール処理後の例示化合物3とPCBMの混合膜の厚さは70nmであった。   Next, a 1: 1 mixed film of Exemplary Compound 3 and PCBM was formed on the PEDOT-PSS film by a spin coating method (conditions: rotational speed = 3300 rpm, filter diameter = 0.8 μm). In this spin coating, P3HT and PCBM were mixed with a chlorobenzene solvent in a ratio of 1: 1, and a mixture obtained by stirring (5 minutes) was used. After forming the mixed film of Exemplified Compound 3 and PCBM, annealing was performed by heating in an oven at 180 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere. The thickness of the mixed film of Exemplary Compound 3 and PCBM after the annealing treatment was 70 nm.

その後、所定のパターン開口を備えたメタルマスクを用い、P3HTとPCBMの混合膜の上に、電子輸送層として本発明の化合物16を5nm蒸着し、ついで陰極としてのアルミニウム層を蒸着法により形成(厚さ=10nm)した。その後、PVA(polyvinyl alcohol)をスピンコートで1μm形成し、150℃で焼成することで図略のパッシベーション層を作製した。以上により、光センサアレイ20が作製された。   Then, using a metal mask having a predetermined pattern opening, 5 nm of the compound 16 of the present invention is deposited as an electron transport layer on a mixed film of P3HT and PCBM, and then an aluminum layer as a cathode is formed by a deposition method ( (Thickness = 10 nm). Thereafter, 1 μm of PVA (polyvinyl alcohol) was formed by spin coating and baked at 150 ° C. to prepare a passivation layer (not shown). The optical sensor array 20 was produced as described above.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

実施例1 バルクヘテロジャンクション層への適用
<比較の有機光電変換素子1の作製>
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を110nm堆積したもの(シート抵抗13Ω/□)を、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用いて2mm幅にパターニングして、透明電極を形成した。
Example 1 Application to Bulk Heterojunction Layer <Production of Comparative Organic Photoelectric Conversion Element 1>
An indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited on a glass substrate with a thickness of 110 nm (sheet resistance 13 Ω / □) is patterned to a width of 2 mm using a normal photolithography technique and hydrochloric acid etching, and transparent An electrode was formed.

パターン形成した透明電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。この透明基板上に、導電性高分子であるBaytron P4083(水溶性ポリチオフェン化合物)(スタルクヴィテック社製)を30nmの膜厚でスピンコートした後、140℃で大気中10分間加熱乾燥した。   The patterned transparent electrode was washed in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning. On this transparent substrate, Baytron P4083 (water-soluble polythiophene compound) (manufactured by Starck Vitec), which is a conductive polymer, was spin-coated at a film thickness of 30 nm, and then heat-dried at 140 ° C. in the air for 10 minutes.

これ以降は、基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で3分間加熱処理した。   After this, the substrate was brought into the glove box and worked under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere.

クロロベンゼンにp型半導体材料として、P3HT(プレクストロニクス社製プレックスコアOS2100)を1.0質量%、n型半導体材料として下記PCBM(フロンティアカーボン社製)を0.8質量%を溶解した液を作製し、0.45μmのフィルタでろ過をかけながら700rpmで60秒、ついで2200rpmで1秒間のスピンコートを行い、120度で5分乾燥した。   A solution is prepared by dissolving 1.0% by mass of P3HT (Plexcore OS2100 made by Plextronics) as a p-type semiconductor material and 0.8% by mass of the following PCBM (made by Frontier Carbon Co.) as an n-type semiconductor material in chlorobenzene. Then, spin-coating was performed at 700 rpm for 60 seconds and then at 2200 rpm for 1 second while being filtered with a 0.45 μm filter, and dried at 120 degrees for 5 minutes.

次に、上記有機層を成膜した基板を真空蒸着装置内に設置した。2mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、フッ化リチウムを0.5nm、Alを80nmを蒸着した。最後に140℃で30分間の加熱を行い、比較の有機光電変換素子1を得た。なお蒸着速度はいずれも2nm/秒で蒸着し、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the organic layer was formed was placed in a vacuum evaporation apparatus. The element was set so that the shadow mask with a width of 2 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 10 −3 Pa or less, and then 0.5 nm of lithium fluoride and 80 nm of Al were evaporated. Finally, heating was performed at 140 ° C. for 30 minutes to obtain a comparative organic photoelectric conversion element 1. The vapor deposition rate was 2 nm / second for all, and the size was 2 mm square.

得られた有機光電変換素子1は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に、下記変換効率および曲線因子の評価を行い、結果を表1に示す。   The obtained organic photoelectric conversion element 1 was sealed using an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere, and then converted efficiency and a fill factor described below. The results are shown in Table 1.

<本発明の有機光電変換素子2〜5の作製>
上記有機光電変換素子1の作製において、p型半導体材料を比較化合物1に代えて、表1に記載した本発明の例示化合物に変更した以外は、比較の有機光電変換素子1と同様にして有機光電変換素子2〜5を得た。
<Preparation of the organic photoelectric conversion elements 2 to 5 of the present invention>
In the production of the organic photoelectric conversion element 1, the organic material was the same as the comparative organic photoelectric conversion element 1 except that the p-type semiconductor material was changed to the exemplary compound of the present invention described in Table 1 instead of the comparative compound 1. Photoelectric conversion elements 2 to 5 were obtained.

得られた有機光電変換素子2〜5は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂を用いて封止を行った後に、下記変換効率および曲線因子の評価を行い、結果を表1にまとめた。   The obtained organic photoelectric conversion elements 2 to 5 were sealed using an aluminum cap and a UV curable resin under a nitrogen atmosphere, and then evaluated for the following conversion efficiency and curve factor. The results are summarized in Table 1. .

(変換効率および曲線因子の評価)
上記作製した光電変換素子に、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cmの強度の光を照射し、有効面積を4.0mmにしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Jsc(mA/cm)及び開放電圧Voc(V)、曲線因子(フィルファクター)FFを、同素子上に形成した4箇所の受光部をそれぞれ測定し、平均値を求めた。またJsc、Voc、FFから式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求めた。
(Evaluation of conversion efficiency and fill factor)
Photoelectric conversion elements prepared above, was irradiated with light having an intensity of 100 mW / cm 2 solar simulator (AM1.5G filter), a superposed mask in which the effective area 4.0 mm 2 on the light receiving portion, the short circuit current density Jsc ( The four light-receiving portions formed on the same element were measured for mA / cm 2 ), open-circuit voltage Voc (V), and fill factor (fill factor) FF, and the average value was obtained. Further, energy conversion efficiency η (%) was obtained from Jsc, Voc, and FF according to Equation 1.

式1 Jsc(mA/cm)×Voc(V)×FF=η(%)
さらに、この時の初期変換効率を100とし、陽極と陰極の間に抵抗を接続したまま100mW/cmの照射強度で100h照射し続けた後の変換効率を、評価した。
Formula 1 Jsc (mA / cm 2 ) × Voc (V) × FF = η (%)
Furthermore, the initial conversion efficiency at this time was set to 100, and the conversion efficiency after 100 hours of irradiation with an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 with the resistance connected between the anode and the cathode was evaluated.

Figure 2010283003
Figure 2010283003

表1から、本発明のp型半導体材料を利用した方が、変換効率が向上し、相対効率低下も低いものが得られることがわかる。   From Table 1, it can be seen that using the p-type semiconductor material of the present invention can improve the conversion efficiency and reduce the relative efficiency.

実施例2 電子輸送層への適用
<本発明の有機光電変換素子6〜8の作製>
比較の有機光電変換素子1の作製と同様に、Baytron P4083(スタルクヴィテック社製)を30nmの膜厚で製膜・焼成した。
Example 2 Application to Electron Transport Layer <Production of Organic Photoelectric Conversion Elements 6-8 of the Present Invention>
Similarly to the production of the comparative organic photoelectric conversion element 1, Baytron P4083 (manufactured by Starck Vitec) was formed and fired at a film thickness of 30 nm.

これ以降は、基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で3分間加熱処理した。   After this, the substrate was brought into the glove box and worked under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere.

クロロベンゼンにp型半導体材料として、プレクストロニクス社製プレックスコアOS2100を1.0質量%、n型半導体材料として下記PCBM(フロンティアカーボン社製)を0.8質量%を溶解した液を作製し、0.45μmのフィルタでろ過をかけながら700rpmで60秒、ついで2200rpmで1秒間のスピンコートを行い、120度で5分乾燥した。   A solution was prepared by dissolving 1.0 mass% of plexcores OS2100 manufactured by Plextronics Co., Ltd. in chlorobenzene and 0.8 mass% of PCBM (manufactured by Frontier Carbon Co.) as the n-type semiconductor material. While being filtered through a .45 μm filter, spin coating was performed at 700 rpm for 60 seconds, then at 2200 rpm for 1 second, and dried at 120 degrees for 5 minutes.

次いで、表2に記載の化合物をテトラフルオロイソプロパノールに0.2%の濃度で溶解し、3000rpmで30秒間のスピンコートを行い、120度で5分乾燥を行った。   Next, the compounds shown in Table 2 were dissolved in tetrafluoroisopropanol at a concentration of 0.2%, spin-coated at 3000 rpm for 30 seconds, and dried at 120 degrees for 5 minutes.

次に、上記有機層を成膜した基板を真空蒸着装置内に設置した。2mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、Alを80nmを蒸着した。最後に140℃で30分間の加熱を行い、本発明の有機光電変換素子6を得た。なお蒸着速度はいずれも2nm/秒で蒸着し、2mm角のサイズとした。 Next, the substrate on which the organic layer was formed was placed in a vacuum evaporation apparatus. The element was set so that the shadow mask with a width of 2 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 10 −3 Pa or less, and then 80 nm of Al was deposited. Finally, heating was performed at 140 ° C. for 30 minutes to obtain an organic photoelectric conversion element 6 of the present invention. The vapor deposition rate was 2 nm / second for all, and the size was 2 mm square.

得られた有機光電変換素子6は、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に、ソーラシミュレーター(AM1.5G)の光を100mW/cmの照射強度で照射して、電圧−電流特性を測定し、初期の変換効率を測定した。 The obtained organic photoelectric conversion element 6 was sealed using an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere, and then a solar simulator (AM1.5G). ) Was irradiated at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 , voltage-current characteristics were measured, and initial conversion efficiency was measured.

なお電子輸送層を変化した効果として有機光電変換素子の整流性向上、層間の抵抗の低下などが見込まれるため、その指標として曲線因子(FF)も評価した。   In addition, since the improvement of the rectification property of an organic photoelectric conversion element, the fall of resistance between layers, etc. are anticipated as the effect which changed the electron carrying layer, a fill factor (FF) was also evaluated as the parameter | index.

Figure 2010283003
Figure 2010283003

表2から、本発明の電子輸送層・正孔ブロック層を利用した方が曲線因子が向上し、変換効率も高いものが得られることがわかる。   From Table 2, it can be seen that the use of the electron transport layer / hole blocking layer of the present invention improves the fill factor and provides high conversion efficiency.

10 バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子
11 基板
12 透明電極(陽極)
13 対電極(陰極)
14 光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)
14p p層
14i i層
14n n層
14′ 第1の光電変換部
15 電荷再結合層
16 第2の光電変換部
17 正孔輸送層
18 電子輸送層
20 光センサアレイ
21 基板
22 陽極
23 陰極
24 光電変換部
24a バッファ層
24b 光電変換層
10 Bulk heterojunction organic photoelectric conversion element 11 Substrate 12 Transparent electrode (anode)
13 Counter electrode (cathode)
14 Photoelectric conversion part (bulk heterojunction layer)
14p p layer 14i i layer 14n n layer 14 'first photoelectric conversion part 15 charge recombination layer 16 second photoelectric conversion part 17 hole transport layer 18 electron transport layer 20 photosensor array 21 substrate 22 anode 23 cathode 24 photoelectric Conversion unit 24a Buffer layer 24b Photoelectric conversion layer

Claims (12)

透明電極、対電極、および透明電極と対電極の間に単数または複数の有機層を有する有機光電変換素子であって、前記有機層中にシクロファン構造を有する化合物を含有することを特徴とする有機光電変換素子。   An organic photoelectric conversion element having a transparent electrode, a counter electrode, and one or more organic layers between the transparent electrode and the counter electrode, wherein the organic layer contains a compound having a cyclophane structure Organic photoelectric conversion element. 前記シクロファン構造を有する化合物が、p型半導体材料とn型半導体材料とが混合されたバルクヘテロジャンクション層に存在していることを特徴とする請求項1に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the compound having a cyclophane structure is present in a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed. 前記シクロファン構造が、[2,2]−パラシクロファン構造であることを特徴とする請求項1に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the cyclophane structure is a [2,2] -paracyclophane structure. 前記シクロファン構造が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2010283003
(式中、A〜Aは、それぞれ置換または無置換の、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基から選ばれる基を表す。)
The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the cyclophane structure is represented by the following general formula (1).
Figure 2010283003
(Wherein A 1 to A 4 each represents a substituted or unsubstituted group selected from an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, and a heteroaryl group.)
前記一般式(1)のA〜Aで表される基が、下記一般式(2)で表される基であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
Figure 2010283003
(式中、R〜Rは、それぞれ置換または無置換の、アルキル基、シクロアルキル基、アルキルオキシ基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。Bは含窒素ヘテロアリール基を表す。それぞれ、pは1〜3、qは1又は2、rは1〜3の正の整数を表す。)
4. The group represented by A 1 to A 4 in the general formula (1) is a group represented by the following general formula (2). 5. Organic photoelectric conversion element.
Figure 2010283003
(Wherein R 1 to R 5 each represents a substituted or unsubstituted alkyl group, cycloalkyl group, alkyloxy group, aryl group, or heteroaryl group. B 1 represents a nitrogen-containing heteroaryl group, respectively. P represents 1 to 3, q represents 1 or 2, and r represents a positive integer of 1 to 3.)
前記一般式(2)のRで表される基が、置換または無置換のフェニル基であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the group represented by R 5 in the general formula (2) is a substituted or unsubstituted phenyl group. 透明電極、対電極、および透明電極と対電極の間に、p型半導体材料とn型半導体材料とが混合されたバルクヘテロジャンクション層を有する有機光電変換素子であって、該バルクヘテロジャンクション層と透明電極または対電極との間に電子輸送層を有し、かつ、前記シクロファン構造を有する化合物を該電子輸送層に存在していることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   An organic photoelectric conversion element having a transparent electrode, a counter electrode, and a bulk heterojunction layer in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are mixed between the transparent electrode and the counter electrode, the bulk heterojunction layer and the transparent electrode Or it has an electron carrying layer between counter electrodes, and the compound which has the said cyclophane structure exists in this electron carrying layer, The any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. Organic photoelectric conversion element. 請求項7に記載のシクロファン構造を有する化合物が、下記一般式(3)で表されることを特徴とする請求項7に記載の有機光電変換素子。
Figure 2010283003
(式中、X〜Xは、それぞれ置換または無置換の炭素原子または窒素原子を表す。Lは単結合または2価の連結基を表す。)
The organic photoelectric conversion element according to claim 7, wherein the compound having a cyclophane structure according to claim 7 is represented by the following general formula (3).
Figure 2010283003
(In the formula, X 1 to X 8 each represent a substituted or unsubstituted carbon atom or a nitrogen atom. L represents a single bond or a divalent linking group.)
前記一般式(3)で表される化合物の、X〜Xのうち少なくとも1つが窒素原子であることを特徴とする請求項7又は8に記載の有機光電変換素子。 9. The organic photoelectric conversion device according to claim 7, wherein at least one of X 1 to X 8 of the compound represented by the general formula (3) is a nitrogen atom. 前記バルクヘテロジャンクション層が、溶液塗布法によって作製されたことを特徴とする請求項2〜9のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   The organic photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the bulk heterojunction layer is produced by a solution coating method. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の有機光電変換素子からなることを特徴とする太陽電池。   It consists of the organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-10, The solar cell characterized by the above-mentioned. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。   The organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-10 is arrange | positioned at array form, The optical sensor array characterized by the above-mentioned.
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