JP5658937B2 - Indenoperylene compound and organic thin film solar cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、新規なインデノペリレン誘導体、それからなる有機薄膜太陽電池用材料及びそれを用いた有機薄膜太陽電池に関する。 The present invention relates to a novel indenoperylene derivative, an organic thin film solar cell material comprising the same, and an organic thin film solar cell using the same.
有機薄膜太陽電池は、光入力に対して電気出力を示す装置であり、電気入力に対して光出力を示すエレクトロルミネッセンス(EL)素子とは逆の応答を示す装置である。有機薄膜太陽電池がその一種に分類される太陽電池は、化石燃料の枯渇問題や地球温暖化問題を背景に、クリーンエネルギー源として近年大変注目されてきており、研究開発が盛んに行なわれている。
従来、実用化されてきたものは、単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSi等に代表されるシリコン系太陽電池であるが、高価であることや原料Siの不足問題等が表面化するにつれて、次世代太陽電池への要求が高まりつつある。このような背景の中で、有機太陽電池は、安価で原材料不足の懸念もないことから、シリコン系太陽電池に次ぐ次世代の太陽電池として大変注目を集めている。
An organic thin film solar cell is a device that exhibits an electrical output with respect to an optical input, and a device that exhibits a response opposite to that of an electroluminescence (EL) element that exhibits an optical output with respect to the electrical input. Organic thin-film solar cells, which are classified as one of them, have attracted much attention in recent years as a source of clean energy against the background of fossil fuel depletion and global warming, and research and development are actively underway. .
Conventionally, silicon solar cells typified by single crystal Si, polycrystal Si, amorphous Si, etc. have been put into practical use. The demand for next generation solar cells is increasing. Against this background, organic solar cells are attracting much attention as next-generation solar cells next to silicon-based solar cells because they are inexpensive and have no fear of shortage of raw materials.
有機太陽電池は、基本的には電子を輸送するn層と正孔を輸送するp層からなる。
n層としてチタニア等の無機半導体表面にルテニウム色素等の増感色素を単分子吸着させ、p層として電解質溶液を用いたものは、色素増感太陽電池(所謂グレッツェルセル)と呼ばれ、光電変換効率(以下、単に変換効率と記す場合がある)の高さから、1991年以降精力的に研究されてきたが、溶液を用いるため、長時間の使用に際して液漏れする等の欠点を有していた。
そこでこのような欠点を克服するため、電解質溶液を固体化して全固体型の色素増感太陽電池を模索する研究も最近なされているが、多孔質チタニアの細孔に有機物をしみ込ませる技術は難易度が高く、再現性よく高変換効率が発現できるセルは完成していないのが現状である。
An organic solar cell basically includes an n layer that transports electrons and a p layer that transports holes.
An n-layer that adsorbs a single molecule of a sensitizing dye such as ruthenium dye on the surface of an inorganic semiconductor such as titania and uses an electrolyte solution as a p-layer is called a dye-sensitized solar cell (so-called Gretzel cell), which is photoelectrically converted. It has been energetically studied since 1991 because of its high efficiency (hereinafter sometimes referred to simply as “conversion efficiency”). However, since it uses a solution, it has drawbacks such as liquid leakage when used for a long time. It was.
In order to overcome these drawbacks, research has been recently conducted to find an all-solid-state dye-sensitized solar cell by solidifying the electrolyte solution, but it is difficult to immerse organic matter into the pores of porous titania. At present, a cell having a high degree of reproducibility and high conversion efficiency has not been completed.
一方、n層、p層ともに有機薄膜からなる有機薄膜太陽電池は、全固体型のため液漏れ等の欠点がなく、作製が容易であり、稀少金属であるルテニウム等を用いないこと等から最近注目を集め、精力的に研究がなされている。
有機薄膜太陽電池は、最初メロシアニン色素等を用いた単層膜で研究が進められてきたが、p層/n層の多層膜にすることで変換効率が向上することが見出され、それ以降多層膜が配置された有機薄膜太陽電池が主流になっている。このとき用いられた材料はp層として銅フタロシアニン(CuPc)、n層としてペリレンイミド類(PTCBI)であった。
その後、p層とn層の間にi層(p材料とn材料の混合層)を挿入することにより、変換効率が向上することが見出された。しかし、このとき用いられた材料は、依然としてフタロシアニン類とペリレンイミド類であった。またその後、p/i/n層を何層も積層するというスタックセル構成によりさらに変換効率が向上することが見出されたが、このときの材料系はフタロシアニン類とフラーレンC60であった。
On the other hand, organic thin-film solar cells consisting of organic thin films in both the n-layer and p-layer are all solid, so they have no drawbacks such as liquid leakage, are easy to manufacture, and do not use ruthenium, which is a rare metal. Attracted attention and researched energetically.
Organic thin-film solar cells have been researched with single-layer films using merocyanine dyes, etc., but it has been found that conversion efficiency can be improved by using p-layer / n-layer multilayer films. Organic thin-film solar cells in which a multilayer film is arranged have become mainstream. The materials used at this time were copper phthalocyanine (CuPc) for the p layer and peryleneimides (PTCBI) for the n layer.
Subsequently, it was found that the conversion efficiency is improved by inserting an i layer (a mixed layer of p material and n material) between the p layer and the n layer. However, the materials used at this time were still phthalocyanines and peryleneimides. Further Thereafter, further conversion efficiency stack cell configuration in the p / i / n layers be stacked several layers have been found to improve the material system at that time was phthalocyanines and fullerene C 60.
一方、高分子を用いた有機薄膜太陽電池では、p材料(p層に用いられる材料)として導電性高分子を用い、n材料(n層に用いられる材料)としてC60誘導体を用いてそれらを混合し、熱処理することによりp層とn層のミクロ層分離を誘起してヘテロ界面を増やし、変換効率を向上させるという、所謂バルクヘテロ構造の研究が主に行なわれてきた。ここで用いられた材料系は主に、p材料としてP3HTと呼ばれる可溶性ポリチオフェン誘導体、n材料としてPCBMと呼ばれる可溶性C60誘導体であった。 On the other hand, in an organic thin film solar cell using a polymer, a conductive polymer is used as a p material (a material used for a p layer), and a C 60 derivative is used as an n material (a material used for an n layer). Research on so-called bulk heterostructures has been mainly conducted, in which micro-layer separation of the p layer and n layer is induced by mixing and heat treatment to increase the heterointerface and improve the conversion efficiency. Here the material system used primarily, soluble polythiophene derivative called P3HT as p material was soluble C 60 derivatives referred to as PCBM as an n material.
このように、有機薄膜太陽電池では、セル構成及びp材料とn材料のモルフォロジーの最適化により変換効率を向上してきたが、用いられる材料系は初期の頃からあまり進展がなく、依然としてフタロシアニン類、ペリレンイミド類、C60類が用いられてきた。従って、これらに代わる新たな材料系の開発が熱望されていた。 Thus, in the organic thin film solar cell, the conversion efficiency has been improved by optimizing the cell configuration and the morphology of the p material and the n material, but the material system used has not made much progress since the early days, and phthalocyanines, perylene imide acids, C 60 compounds have been used. Therefore, development of a new material system to replace these has been eagerly desired.
一般に有機太陽電池の動作過程は、(1)光吸収及び励起子生成、(2)励起子拡散、(3)電荷分離、(4)電荷移動、(5)起電力発生の素過程からなっており、有機物は概して太陽光スペクトルに合致する吸収特性を示すものが多くないため、高い変換効率は達成できないことが多かった。 In general, the operation process of an organic solar cell consists of (1) light absorption and exciton generation, (2) exciton diffusion, (3) charge separation, (4) charge transfer, and (5) electromotive force generation. In general, many organic substances do not exhibit many absorption characteristics that match the solar spectrum, and thus high conversion efficiency cannot often be achieved.
上記の素過程のいずれかについて性能を向上させ、変換効率を向上させる手段として、新たな材料系の検討がなされている。 As a means for improving the performance of any of the above elementary processes and improving the conversion efficiency, a new material system has been studied.
例えば、特許文献1には、ペリフランテン誘導体を使用した有機光電変換素子が開示されている。しかしながら、ペリレン骨格の両側にベンゾフルオランテン骨格を有する構造を基本とするため分子量が大きく、蒸着法を利用して有機薄膜太陽電池を製造する場合、昇華が難しくなる等、製造上の問題点を引き起こす可能性がある。 For example, Patent Document 1 discloses an organic photoelectric conversion element using a perifuranthene derivative. However, since it has a structure having a benzofluoranthene skeleton on both sides of the perylene skeleton, the molecular weight is large, and when an organic thin film solar cell is produced by using a vapor deposition method, sublimation is difficult. May cause.
特許文献2では、アセナフトフルオランテン骨格に芳香族アミン部位を導入した化合物を用いた有機薄膜太陽電池が開示されている。その実施例には高い変換効率が開示されているが、更なる効率向上が求められている。 Patent Document 2 discloses an organic thin film solar cell using a compound in which an aromatic amine moiety is introduced into an acenaphthofluoranthene skeleton. Although high conversion efficiency is disclosed in the embodiment, further improvement in efficiency is required.
本発明の目的は、有機薄膜太陽電池用材料として有用なインデノペリレン誘導体を提供することであり、特に有機薄膜太陽電池に用いたときに高効率の光電変換効率を示す化合物を提供することである。 An object of the present invention is to provide an indenoperylene derivative useful as a material for an organic thin film solar cell, and particularly to provide a compound exhibiting high photoelectric conversion efficiency when used in an organic thin film solar cell. is there.
本発明によれば、以下のインデノペリレン誘導体等が提供される。
1.式(1)で表されるインデノペリレン誘導体。
2.式(3)で表される1に記載のインデノペリレン誘導体。
3.式(4)で表される2に記載のインデノペリレン誘導体。
4.1〜3のいずれかに記載のインデノペリレン誘導体からなる有機薄膜太陽電池材料。
5.1〜3のいずれかに記載のインデノペリレン誘導体を含有する有機薄膜太陽電池。
6.少なくともp層を有する有機薄膜太陽電池において、p層に1〜3のいずれかに記載のインデノペリレン誘導体を用いる有機薄膜太陽電池。
7.少なくともp層とn層を有する有機薄膜太陽電池において、n層にフラーレン誘導体を用い、p層に1〜3のいずれかに記載のインデノペリレン誘導体を用いる有機薄膜太陽電池。
According to the present invention, the following indenoperylene derivatives and the like are provided.
1. An indenoperylene derivative represented by the formula (1).
2. 2. The indenoperylene derivative represented by formula (3).
3. The indenoperylene derivative according to 2, which is represented by formula (4).
The organic thin-film solar cell material which consists of an indenoperylene derivative in any one of 4.1-3.
The organic thin-film solar cell containing the indenoperylene derivative in any one of 5.1-3.
6). An organic thin-film solar cell having at least a p-layer, wherein the indenoperylene derivative according to any one of 1 to 3 is used for the p-layer.
7). An organic thin-film solar cell having at least a p-layer and an n-layer, wherein a fullerene derivative is used for the n-layer and the indenoperylene derivative according to any one of 1 to 3 is used for the p-layer.
本発明によれば、有機薄膜太陽電池用材料として有用なインデノペリレン誘導体、特に有機薄膜太陽電池に用いたときに高効率の光電変換効率を示す化合物を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the compound which shows a highly efficient photoelectric conversion efficiency when it uses for an organic thin-film solar cell, especially an indenoperylene derivative useful as an organic thin-film solar cell material can be provided.
本発明のインデノペリレン誘導体は式(1)で表される。
式(1)の化合物はインデノペリレン構造を有し、ペリレン骨格の一方にのみベンゾフルオランテン骨格を有するため、分子量の増大が抑制された構造である。
この化合物を有機薄膜太陽電池のp材料として使用した場合には高い変換効率が得られ、かつ蒸着法により有機薄膜太陽電池を製造する場合、昇華が容易であるため、昇華の困難性に起因する生産性の低下を回避できる。
The compound of the formula (1) has an indenoperylene structure and has a benzofluoranthene skeleton on only one of the perylene skeletons, so that the increase in molecular weight is suppressed.
When this compound is used as a p-material for an organic thin film solar cell, high conversion efficiency is obtained, and when an organic thin film solar cell is produced by a vapor deposition method, sublimation is easy, resulting in difficulty in sublimation. A decrease in productivity can be avoided.
式(1)の化合物において、式(2)の構造を必須とする理由は、過剰な電子を有するアミノ基(例えば、ジアリールアミノ基やジアルキルアミノ基等)を導入することで正孔の輸送性を高め、有機薄膜太陽電池の部材として使用した場合に変換効率を向上させるためである。 In the compound of the formula (1), the reason why the structure of the formula (2) is essential is that hole transportability can be obtained by introducing an amino group having an excess electron (for example, a diarylamino group or a dialkylamino group). This is to improve the conversion efficiency when used as a member of an organic thin film solar cell.
式(1)において、R3、R4,R11、R12のうち1以上が式(2)のアミノ基であり、R1、R2、R5〜R10、R13〜R16は式(2)以外の基、又は水素原子であることが、化合物製造の容易性の観点から好ましい。
また、式(1)の化合物を有機薄膜太陽電池の部材として使用する場合、式(2)のアミノ基の数は1であると安定的に電荷移動させる点で好ましい。従って、式(3)、式(4)の化合物が好ましい。
In Formula (1), one or more of R 3 , R 4 , R 11 , and R 12 are the amino groups of Formula (2), and R 1 , R 2 , R 5 to R 10 , and R 13 to R 16 are A group other than formula (2) or a hydrogen atom is preferred from the viewpoint of ease of compound production.
Moreover, when using the compound of Formula (1) as a member of an organic thin-film solar cell, it is preferable at the point which carries out a charge transfer stably that the number of the amino groups of Formula (2) is 1. Therefore, the compounds of formula (3) and formula (4) are preferred.
式(2)のRa,Rbは置換もしくは無置換の環形成炭素数6〜40のアリール基又は置換もしくは無置換の炭素数1〜40のアルキル基であり、具体的には、下記のR1〜R16のアリール基やアルキル基の例示と同様である。ラジカルカチオン(正孔)が安定的に存在するため、安定的な電荷移動が得られる点からアリール基が好ましい。アリール基としては、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基等が好ましい。 R a and R b in the formula (2) are a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 40 ring carbon atoms or a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 40 carbon atoms. is the same as the exemplary aryl group or alkyl group of R 1 to R 16. Since radical cations (holes) exist stably, an aryl group is preferred from the viewpoint of obtaining stable charge transfer. As the aryl group, a phenyl group, a naphthyl group, a biphenyl group and the like are preferable.
本発明のインデノペリレン誘導体は好ましくは式(3)で表わされる。
式(3)の化合物は、式(1)におけるR11又はR12が式(2)である化合物である。式(1)のR11、R12はアミノ基を導入し易い部位であるため、生産性の観点から、アミノ基を1つ有する化合物としては式(3)の化合物が好ましい。 The compound of the formula (3) is a compound in which R 11 or R 12 in the formula (1) is the formula (2). Since R 11 and R 12 in formula (1) are sites where amino groups can be easily introduced, from the viewpoint of productivity, the compound having one amino group is preferably a compound of formula (3).
本発明のインデノペリレン誘導体は好ましくは式(4)で表わされる。
式(3)のR1,R6,Ra,Rbを、置換基を有してもよいフェニル基とした構造が式(4)である。ジフェニルアミノ基を有する点や、4個のフェニル基を有する点で、mTPD(有機EL素子の正孔輸送材)と類似する。このため、より高い電荷移動が得られると考えられ、その結果として、実施例に示すような高い変換効率が得られると考えられる。
The indenoperylene derivative of the present invention is preferably represented by the formula (4).
A structure in which R 1 , R 6 , R a and R b in formula (3) are phenyl groups which may have a substituent is formula (4). It is similar to mTPD (a hole transport material for organic EL elements) in that it has a diphenylamino group and has four phenyl groups. For this reason, it is considered that higher charge transfer is obtained, and as a result, it is considered that high conversion efficiency as shown in the examples can be obtained.
式(4)に示された4個のフェニル基は置換基を有してもよいが、無置換のものが好ましい。ただし、t−ブチル基等の嵩高いアルキル置換基が、変換効率向上に寄与する可能性もある。 The four phenyl groups represented by the formula (4) may have a substituent, but are preferably unsubstituted. However, a bulky alkyl substituent such as a t-butyl group may contribute to an improvement in conversion efficiency.
R1〜R16の、置換もしくは無置換の炭素数1〜40のアルキル基は、直鎖、分岐鎖又は環状のいずれであってもよい。具体的には、例えば、メチル基、エチル基、1−プロピル基、2−プロピル基、1−ブチル基、2−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、種々のペンチル基、種々のヘキシル基、種々のオクチル基、種々のデシル基、種々のドデシル、2−エチルヘキシル基、3,7−ジメチルオクチル基、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、1−アダマンチル基、2−アダマンチル基、ノルボルニル基、トリフルオロメチル基、トリクロロメチル基、ベンジル基、α,α−ジメチルベンジル基、2−フェニルエチル基、1−フェニルエチル基等が挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさ等の観点から、メチル基、エチル基、1−プロピル基、2−プロピル基、tert−ブチル基、シクロヘキシル基が好ましい。
上記のアルキル基の置換基としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、フェニル基等のアリール基、さらには、該アリール基にさらに結合する置換基としてメチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1〜5のアルキル基が挙げられる。
The substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 40 carbon atoms of R 1 to R 16 may be linear, branched or cyclic. Specifically, for example, methyl group, ethyl group, 1-propyl group, 2-propyl group, 1-butyl group, 2-butyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, various pentyl groups, various Hexyl group, various octyl groups, various decyl groups, various dodecyls, 2-ethylhexyl group, 3,7-dimethyloctyl group, cyclopropyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, 1-adamantyl group, 2-adamantyl group, Examples include a norbornyl group, a trifluoromethyl group, a trichloromethyl group, a benzyl group, an α, α-dimethylbenzyl group, a 2-phenylethyl group, and a 1-phenylethyl group. Of these, a methyl group, an ethyl group, a 1-propyl group, a 2-propyl group, a tert-butyl group, and a cyclohexyl group are preferable from the viewpoint of availability of raw materials.
Examples of the substituent of the alkyl group include a halogen atom such as a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom, an aryl group such as a phenyl group, and a methyl group as a substituent further bonded to the aryl group. , An alkyl group having 1 to 5 carbon atoms such as an ethyl group and a propyl group.
R1〜R16の、置換もしくは無置換の炭素数2〜40のアルケニル基は、直鎖、分岐鎖又は環状のいずれであってもよい。具体的には、例えば、ビニル基、プロペニル基、ブテニル基、オレイル基、エイコサペンタエニル基、ドコサヘキサエニル基、スチリル基、2,2−ジフェニルビニル基、1,2,2−トリフェニルビニル基、2−フェニル−2−プロペニル基等が挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさ等の観点から、ビニル基、スチリル基、2,2−ジフェニルビニル基が好ましい。
上記のアルケニル基の置換基としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、フェニル基等のアリール基が挙げられる。
The substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 40 carbon atoms of R 1 to R 16 may be linear, branched or cyclic. Specifically, for example, vinyl group, propenyl group, butenyl group, oleyl group, eicosapentaenyl group, docosahexaenyl group, styryl group, 2,2-diphenylvinyl group, 1,2,2-triphenylvinyl Group, 2-phenyl-2-propenyl group and the like. Among these, a vinyl group, a styryl group, and a 2,2-diphenylvinyl group are preferable from the viewpoint of availability of raw materials.
Examples of the substituent for the alkenyl group include halogen atoms such as fluorine atom, chlorine atom, bromine atom and iodine atom, and aryl groups such as phenyl group.
R1〜R16の、置換もしくは無置換の炭素数2〜40のアルキニル基は、直鎖、分岐鎖又は環状のいずれであってもよい。具体的には、例えば、エテニル基、プロピニル基、2−フェニルエテニル基等が挙げられる。
上記のアルケニル基の置換基としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、フェニル基等のアリール基が挙げられる。
The substituted or unsubstituted alkynyl group having 2 to 40 carbon atoms of R 1 to R 16 may be linear, branched or cyclic. Specific examples include ethenyl group, propynyl group, 2-phenylethenyl group and the like.
Examples of the substituent for the alkenyl group include halogen atoms such as fluorine atom, chlorine atom, bromine atom and iodine atom, and aryl groups such as phenyl group.
R1〜R16の、置換もしくは無置換の環形成炭素数6〜40のアリール基の具体例としては、例えば、フェニル基、2−トリル基、4−トリル基、4−トリフルオロメチルフェニル基、4−メトキシフェニル基、4−シアノフェニル基、2−ビフェニリル基、3−ビフェニリル基、4−ビフェニリル基、ターフェニリル基、3,5−ジフェニルフェニル基、3,4−ジフェニルフェニル基、ペンタフェニルフェニル基、4−(2,2−ジフェニルビニル)フェニル基、4−(1,2,2−トリフェニルビニル)フェニル基、フルオレニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、9−アントリル基、2−アントリル基、9−フェナントリル基、1−ピレニル基、クリセニル基、ナフタセニル基、コロニル基等が挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさ等の観点から、フェニル基、4−ビフェニリル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、9−フェナントリル基等が好ましい。
上記アリール基の置換基としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等の炭素数1〜5のアルコキシ基、シアノ基、フェニル基等のアリール基で置換されたビニル基が挙げられる。
Specific examples of the substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 40 ring carbon atoms of R 1 to R 16 include, for example, a phenyl group, a 2-tolyl group, a 4-tolyl group, and a 4-trifluoromethylphenyl group. 4-methoxyphenyl group, 4-cyanophenyl group, 2-biphenylyl group, 3-biphenylyl group, 4-biphenylyl group, terphenylyl group, 3,5-diphenylphenyl group, 3,4-diphenylphenyl group, pentaphenylphenyl Group, 4- (2,2-diphenylvinyl) phenyl group, 4- (1,2,2-triphenylvinyl) phenyl group, fluorenyl group, 1-naphthyl group, 2-naphthyl group, 9-anthryl group, 2 -Anthryl group, 9-phenanthryl group, 1-pyrenyl group, chrycenyl group, naphthacenyl group, coronyl group and the like can be mentioned. Of these, a phenyl group, a 4-biphenylyl group, a 1-naphthyl group, a 2-naphthyl group, a 9-phenanthryl group and the like are preferable from the viewpoint of availability of raw materials.
Examples of the substituent for the aryl group include halogen atoms such as fluorine atom, chlorine atom, bromine atom and iodine atom, alkoxy groups having 1 to 5 carbon atoms such as methoxy group, ethoxy group and propoxy group, cyano group and phenyl group. And a vinyl group substituted with an aryl group such as a group.
R1〜R16の、置換もしくは無置換の環形成原子数5〜40のヘテロアリール基の具体例としては、例えば、フラン、チオフェン、ピロール、イミダゾール、ベンズイミダゾール、ピラゾール、ベンズピラゾール、トリアゾール、オキサジアゾール、ピリジン、ピラジン、トリアジン、キノリン、ベンゾフラン、ジベンゾフラン、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、或いはカルバゾールに基づくヘテロアリール基が挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさ等の観点から、フラン、チオフェン、ピリジン、カルバゾールに基づくヘテロアリール基等が好ましい。
ヘテロアリール基が、含窒素アゾール系へテロ環に基づくものである場合、一般式(1)のインデノペリレン骨格との結合位置は、炭素であっても窒素であってもよい。
Specific examples of the substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 40 ring atoms of R 1 to R 16 include, for example, furan, thiophene, pyrrole, imidazole, benzimidazole, pyrazole, benzpyrazole, triazole, oxa Examples include heteroaryl groups based on diazole, pyridine, pyrazine, triazine, quinoline, benzofuran, dibenzofuran, benzothiophene, dibenzothiophene, or carbazole. Of these, heteroaryl groups based on furan, thiophene, pyridine, carbazole, and the like are preferable from the viewpoint of availability of raw materials.
When the heteroaryl group is based on a nitrogen-containing azole heterocycle, the bonding position with the indenoperylene skeleton of the general formula (1) may be carbon or nitrogen.
R1〜R16の、炭素数1〜40の置換もしくは無置換のアルコキシ基は、直鎖、分岐鎖又は環状のいずれであってもよく、それらの具体例としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、1−プロピルオキシ基、2−プロピルオキシ基、1−ブチルオキシ基、2−ブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、種々のペンチルオキシ基、種々のヘキシルオキシ基、種々のオクチルオキシ基、種々のデシルオキシ基、種々のドデシルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、3,7−ジメチルオクチルオキシ、シクロプロピルオキシ、シクロペンチルオキシ、シクロヘキシルオキシ、1−アダマンチルオキシ基、2−アダマンチルオキシ基、ノルボルニルオキシ基、トリフルオロメトキシ基、ベンジロキシ基、α,α−ジメチルベンジロキシ基、2−フェニルエトキシ基、1−フェニルエトキシ等が挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさ等の観点から、メトキシ基、エトキシ基、tert−ブチルオキシ基等が好ましい。上記のアルコキシ基の置換基としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、フェニル基等のアリール基、さらには、該アリール基にさらに結合する置換基としてメチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1〜5のアルキル基が挙げられる。 The substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 40 carbon atoms of R 1 to R 16 may be linear, branched or cyclic, and specific examples thereof include, for example, methoxy group, ethoxy Group, 1-propyloxy group, 2-propyloxy group, 1-butyloxy group, 2-butyloxy group, sec-butyloxy group, tert-butyloxy group, various pentyloxy groups, various hexyloxy groups, various octyloxy groups Group, various decyloxy groups, various dodecyloxy groups, 2-ethylhexyloxy group, 3,7-dimethyloctyloxy, cyclopropyloxy, cyclopentyloxy, cyclohexyloxy, 1-adamantyloxy group, 2-adamantyloxy group, nor Bornyloxy group, trifluoromethoxy group, benzyloxy group, α, α -A dimethyl benzyloxy group, 2-phenylethoxy group, 1-phenylethoxy etc. are mentioned. Of these, a methoxy group, an ethoxy group, a tert-butyloxy group, and the like are preferable from the viewpoint of availability of raw materials. Examples of the substituent of the alkoxy group include a halogen atom such as a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom, an aryl group such as a phenyl group, and a methyl group as a substituent further bonded to the aryl group. , An alkyl group having 1 to 5 carbon atoms such as an ethyl group and a propyl group.
R1〜R16の、環形成炭素数6〜40の置換もしくは無置換のアリールオキシ基の具体例としては、例えば、前記アリール基が酸素を介して結合した置換基が挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさ等の観点から、フェノキシ基、ナフトキシ基、フェナントリルオキシ基等が好ましい。 Specific examples of the substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 40 ring carbon atoms of R 1 to R 16 include a substituent in which the aryl group is bonded through oxygen. Of these, a phenoxy group, a naphthoxy group, a phenanthryloxy group, and the like are preferable from the viewpoint of availability of raw materials.
本発明のインデノペリレン誘導体としては、例えば以下の化合物を挙げることができる。
本発明のインデノペリレン誘導体は、有機薄膜太陽電池材料として好適に使用でき、特にp層の材料として好適に使用することができる。その理由として、ペリレン骨格に基づく長波長吸収により太陽光スペクトルとの相性が高められて、光励起子が生成しやすくなり、その励起子が電荷分離して生じた正孔が、インデノペリレン誘導体を構成するアミン構造の寄与により、電極まで輸送されやすくなることが考えられる。 The indenoperylene derivative of the present invention can be suitably used as an organic thin film solar cell material, and can be particularly suitably used as a p-layer material. The reason for this is that the long wavelength absorption based on the perylene skeleton enhances the compatibility with the sunlight spectrum, making it easier to generate photoexcitons, and the holes generated by the charge separation of the excitons are the indenoperylene derivatives. It can be considered that the amine structure is easily transported to the electrode due to the contribution of the amine structure.
本発明の有機薄膜太陽電池は、上記のインデノペリレン誘導体(有機薄膜太陽電池材料)を含み、高効率の変換特性を示す。
本発明の有機薄膜太陽電池の部材は、本発明の有機薄膜太陽電池材料単独から形成されていてもよいし、本発明の有機薄膜太陽電池材料と他の成分の混合物から形成されていてもよい。
The organic thin film solar cell of the present invention contains the above-mentioned indenoperylene derivative (organic thin film solar cell material) and exhibits high-efficiency conversion characteristics.
The member of the organic thin film solar cell of the present invention may be formed of the organic thin film solar cell material of the present invention alone, or may be formed of a mixture of the organic thin film solar cell material of the present invention and other components. .
本発明の有機薄膜太陽電池のセル構造は、一対の電極の間に、本発明のインデノペリレン誘導体を含有する層が設けられていれば特に限定されない。具体的には、例えば、安定な絶縁性基板上に下記の構成を有する構造が挙げられる。
(1)下部電極/p層/n層/上部電極
(2)下部電極/p層/i層(又はp材料とn材料の混合層)/n層/上部電極
(3)下部電極/p材料とn材料の混合層/上部電極
及び上記(1)、(2)の構成のp層とn層を互いに置換した構造が挙げられる。
また、必要に応じて、電極と有機層の間にバッファー層を設けてもよい。例えば具体例として、下記構成を有する構造が挙げられる。
(4)下部電極/バッファー層/p層/n層/上部電極
(5)下部電極/p層/n層/バッファー層/上部電極
(6)下部電極/バッファー層/p層/n層/バッファー層/上部電極
The cell structure of the organic thin film solar cell of the present invention is not particularly limited as long as a layer containing the indenoperylene derivative of the present invention is provided between a pair of electrodes. Specifically, for example, a structure having the following configuration on a stable insulating substrate can be given.
(1) Lower electrode / p layer / n layer / upper electrode (2) Lower electrode / p layer / i layer (or mixed layer of p material and n material) / n layer / upper electrode (3) Lower electrode / p material And a mixed layer of n material / upper electrode and a structure in which the p layer and the n layer having the constitutions (1) and (2) described above are replaced with each other.
Moreover, you may provide a buffer layer between an electrode and an organic layer as needed. For example, the structure which has the following structure as a specific example is mentioned.
(4) Lower electrode / buffer layer / p layer / n layer / upper electrode (5) Lower electrode / p layer / n layer / buffer layer / upper electrode (6) Lower electrode / buffer layer / p layer / n layer / buffer Layer / Top electrode
本発明の有機薄膜太陽電池用材料は、p層やi層(p材料とn材料の混合層)に使用できる。また、フッ素原子等の電子吸引性基を導入することで、n層やバッファー層にも使用できる。 The organic thin film solar cell material of the present invention can be used for a p layer or an i layer (a mixed layer of a p material and an n material). Further, by introducing an electron-withdrawing group such as a fluorine atom, it can be used for the n layer and the buffer layer.
本発明の有機薄膜太陽電池では、電池を構成するいずれかの部材に本発明の材料を含有していればよい。また、本発明の材料を含有する部材は、他の成分を併せて含んでいてもよい。本発明の材料を含まない部材や混合材料については、有機薄膜太陽電池で使用される公知の部材や材料を使用することができる。以下、各構成部材について説明する。 In the organic thin-film solar cell of the present invention, any material constituting the battery may contain the material of the present invention. Moreover, the member containing the material of this invention may contain the other component collectively. About the member and mixed material which do not contain the material of this invention, the well-known member and material used with an organic thin film solar cell can be used. Hereinafter, each component will be described.
1.下部電極、上部電極
下部電極、上部電極の材料は特に制限はなく、公知の導電性材料を使用できる。例えば、p層と接続する電極としては、錫ドープ酸化インジウム(ITO)や金(Au)、オスミウム(Os),パラジウム(Pd)等の金属が使用でき、n層と接続する電極としては、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、インジウム(In),カルシウム(Ca),白金(Pt)リチウム(Li)等の金属やMg:Ag、Mg:InやAl:Li等の二成分金属系,さらには上記p層と接続する電極例示材料が使用できる。
尚、高効率の光電変換特性を得るためには、例えば有機薄膜太陽電池が太陽電池の場合、太陽電池の少なくとも一方の面は太陽光スペクトルにおいて充分透明にすることが望ましい。透明電極は、公知の導電性材料を使用して、蒸着やスパッタリング等の方法で所定の透光性が確保するように形成する。受光面の電極の光透過率は10%以上とすることが望ましい。一対の電極構成の好ましい構成では、電極部の一方が仕事関数の大きな金属を含み、他方は仕事関数の小さな金属を含む。
1. Lower electrode, upper electrode The material of the lower electrode and the upper electrode is not particularly limited, and a known conductive material can be used. For example, a metal such as tin-doped indium oxide (ITO), gold (Au), osmium (Os), palladium (Pd) can be used as the electrode connected to the p layer, and silver as the electrode connected to the n layer. Metals such as (Ag), aluminum (Al), indium (In), calcium (Ca), platinum (Pt) lithium (Li) and the like, and binary metal systems such as Mg: Ag, Mg: In and Al: Li, Can use the electrode exemplified material connected to the p layer.
In order to obtain highly efficient photoelectric conversion characteristics, for example, when the organic thin film solar cell is a solar cell, it is desirable that at least one surface of the solar cell is sufficiently transparent in the solar spectrum. The transparent electrode is formed using a known conductive material so as to ensure predetermined translucency by a method such as vapor deposition or sputtering. The light transmittance of the electrode on the light receiving surface is preferably 10% or more. In a preferred configuration of the pair of electrode configurations, one of the electrode portions includes a metal having a high work function, and the other includes a metal having a low work function.
2.有機化合物層
p層、p材料とn材料の混合層又はn層のいずれかである。本発明の材料を有機化合物層に使用するとき、具体的には、下部電極/本発明の材料の単独層/上部電極や、下部電極/本発明の材料と、後述するn層材料又はp層材料の混合層/上部電極等の構成が挙げられる。
2. Organic compound layer One of a p layer, a mixed layer of p material and n material, or an n layer. When the material of the present invention is used for the organic compound layer, specifically, the lower electrode / the single layer of the material of the present invention / the upper electrode, the lower electrode / the material of the present invention, and the n layer material or p layer described later. Examples include a mixed layer / top electrode material.
3.p層、n層、i層
本発明の材料をp層に用いるときは、n層は特に限定されないが、電子受容体としての機能を有する化合物が好ましい。例えば有機化合物であれば、C60、C70、PCBM、PC70BM等のフラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、ペリレン誘導体、多環キノン、キナクリドン等、高分子系ではCN−ポリ(フェニレン−ビニレン)、MEH−CN−PPV、−CN基又はCF3基含有ポリマー、それらの−CF3置換ポリマー、ポリ(フルオレン)誘導体等を挙げることができる。電子の移動度が高い材料が好ましい。さらに、好ましくは、電子親和力が小さい材料が好ましい。このように電子親和力の小さい材料をn層として組み合わせることで充分な開放端電圧を実現することができる。
3. p layer, n layer, i layer When the material of the present invention is used for the p layer, the n layer is not particularly limited, but a compound having a function as an electron acceptor is preferable. For example, in the case of organic compounds, fullerene derivatives such as C 60 , C 70 , PCBM, and PC 70 BM, carbon nanotubes, perylene derivatives, polycyclic quinones, quinacridones, etc., such as CN-poly (phenylene-vinylene), MEH —CN—PPV, —CN group or CF 3 group-containing polymers, —CF 3 substituted polymers, poly (fluorene) derivatives, and the like can be mentioned. A material having high electron mobility is preferred. Further, a material having a small electron affinity is preferable. Thus, a sufficient open-circuit voltage can be realized by combining materials having a small electron affinity as the n layer.
また、無機化合物であれば、n型特性の無機半導体化合物を挙げることができる。具体的には、n−Si、GaAs、CdS、PbS、CdSe、InP、Nb2O5,WO3,Fe2O3等のドーピング半導体及び化合物半導体、また、二酸化チタン(TiO2)、一酸化チタン(TiO)、三酸化二チタン(Ti2O3)等の酸化チタン、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)等の導電性酸化物が挙げられ、これらのうちの1種又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。好ましくは、酸化チタン、特に好ましくは、二酸化チタンを用いる。 Moreover, if it is an inorganic compound, the inorganic semiconductor compound of an n-type characteristic can be mentioned. Specifically, doped semiconductors and compound semiconductors such as n-Si, GaAs, CdS, PbS, CdSe, InP, Nb 2 O 5 , WO 3 , Fe 2 O 3 , titanium dioxide (TiO 2 ), monoxide Examples include titanium oxide such as titanium (TiO) and dititanium trioxide (Ti 2 O 3 ), and conductive oxides such as zinc oxide (ZnO) and tin oxide (SnO 2 ). You may use combining more than a seed. Preference is given to using titanium oxide, particularly preferably titanium dioxide.
本発明の材料をn層に用いるときは、p層は特に限定されないが、正孔受容体としての機能を有する化合物が好ましい。例えば有機化合物であれば、N,N’−ビス(3−トリル)−N,N’−ジフェニルベンジジン(mTPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニルベンジジン(NPD)、4,4’,4’’−トリス(フェニル−3−トリルアミノ)トリフェニルアミン(MTDATA)等に代表されるアミン化合物、フタロシアニン(Pc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)、チタニルフタロシアニン(TiOPc)等のフタロシアニン類、オクタエチルポルフィリン(OEP)、白金オクタエチルポルフィリン(PtOEP)、亜鉛テトラフェニルポルフィリン(ZnTPP)等に代表されるポルフィリン類、高分子化合物であれば、ポリヘキシルチオフェン(P3HT)、メトキシエチルヘキシロキシフェニレンビニレン(MEHPPV)等の主鎖型共役高分子類、ポリビニルカルバゾール等に代表される側鎖型高分子類等が挙げられる。 When the material of the present invention is used for the n layer, the p layer is not particularly limited, but a compound having a function as a hole acceptor is preferable. For example, in the case of an organic compound, N, N′-bis (3-tolyl) -N, N′-diphenylbenzidine (mTPD), N, N′-dinaphthyl-N, N′-diphenylbenzidine (NPD), 4, Amine compounds represented by 4 ′, 4 ″ -tris (phenyl-3-tolylamino) triphenylamine (MTDATA), etc., phthalocyanine (Pc), copper phthalocyanine (CuPc), zinc phthalocyanine (ZnPc), titanyl phthalocyanine (TiOPc) ), Phthalocyanines such as octaethylporphyrin (OEP), platinum octaethylporphyrin (PtOEP), zinc tetraphenylporphyrin (ZnTPP) and the like, and polymer compounds such as polyhexylthiophene (P3HT), Methoxyethylhexyloxyphe Vinylene (MEHPPV) main chain type conjugated polymers such as side chain type polymers such as represented by polyvinyl carbazole, and the like.
本発明の材料をi層に用いるときは、上記p層化合物もしくはn層化合物と混合してi層を形成してもよいが、本発明の材料を単独でi層として用いることもできる。その場合のp層もしくはn層は、上記例示化合物のいずれも用いることができる。 When the material of the present invention is used for the i layer, the i layer may be formed by mixing with the p layer compound or the n layer compound, but the material of the present invention can also be used alone as the i layer. In this case, any of the above exemplary compounds can be used for the p layer or the n layer.
4.バッファー層
一般に、有機薄膜太陽電池は総膜厚が薄いことが多く、そのため上部電極と下部電極が短絡し、セル作製の歩留まりが低下することが多い。このような場合には、バッファー層を積層することによってこれを防止することが好ましい。
バッファー層に好ましい化合物としては、膜厚を厚くしても短絡電流が低下しないようにキャリア移動度が充分に高い化合物が好ましい。例えば、低分子化合物であれば下記に示すNTCDAに代表される芳香族環状酸無水物等が挙げられ、高分子化合物であればポリ(3,4−エチレンジオキシ)チオフェン:ポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS)、ポリアニリン:カンファースルホン酸(PANI:CSA)等に代表される公知の導電性高分子等が挙げられる。
4). Buffer layer In general, organic thin film solar cells often have a thin total film thickness, and therefore, the upper electrode and the lower electrode are short-circuited, and the yield of cell fabrication often decreases. In such a case, it is preferable to prevent this by laminating a buffer layer.
As a preferable compound for the buffer layer, a compound having sufficiently high carrier mobility is preferable so that the short-circuit current does not decrease even when the film thickness is increased. For example, if it is a low molecular compound, the aromatic cyclic acid anhydride represented by NTCDA shown below etc. will be mentioned, and if it is a high molecular compound, poly (3,4-ethylenedioxy) thiophene: polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS), polyaniline: camphorsulfonic acid (PANI: CSA), and other known conductive polymers.
また、バッファー層には、励起子が電極まで拡散して失活してしまうのを防止する役割を持たせることも可能である。このように励起子阻止層としてバッファー層を挿入することは、高効率化のために有効である。励起子阻止層は陽極側、陰極側のいずれにも挿入することができ、両方同時に挿入することも可能である。この場合、励起子阻止層として好ましい材料としては、例えば有機EL用途で公知な正孔障壁層用材料又は電子障壁層用材料等が挙げられる。正孔障壁層として好ましい材料は、イオン化ポテンシャルが充分に大きい化合物であり、電子障壁層として好ましい材料は、電子親和力が充分に小さい化合物である。具体的には有機EL用途で公知な材料であるバソクプロイン(BCP)、バソフェナントロリン(BPhen)等が陰極側の正孔障壁層材料として挙げられる。 In addition, the buffer layer may have a role of preventing excitons from diffusing to the electrodes and deactivating. Inserting a buffer layer as an exciton blocking layer in this way is effective for increasing efficiency. The exciton blocking layer can be inserted on either the anode side or the cathode side, or both can be inserted simultaneously. In this case, as a preferable material for the exciton blocking layer, for example, a well-known material for a hole barrier layer or a material for an electron barrier layer in organic EL applications can be used. A preferable material for the hole blocking layer is a compound having a sufficiently large ionization potential, and a preferable material for the electron blocking layer is a compound having a sufficiently small electron affinity. Specifically, bathocuproin (BCP), bathophenanthroline (BPhen), and the like, which are well-known materials for organic EL applications, can be used as the cathode-side hole barrier layer material.
さらに、バッファー層には、上記n層材料として例示した無機半導体化合物を用いてもよい。また、p型無機半導体化合物としてはCdTe、p−Si、SiC、GaAs、WO3等を用いることができる。 Furthermore, you may use the inorganic semiconductor compound illustrated as said n layer material for a buffer layer. As the p-type inorganic semiconductor compound, CdTe, p-Si, SiC, GaAs, WO 3 or the like can be used.
5.基板
基板は、機械的、熱的強度を有し、透明性を有するものが好ましい。例えば、ガラス基板及び透明性樹脂フィルムがある。透明性樹脂フィルムとしては、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタアクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルフォン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリプロピレン等が挙げられる。
5. Substrate The substrate preferably has mechanical and thermal strength and transparency. For example, there are a glass substrate and a transparent resin film. Transparent resin films include polyethylene, ethylene-vinyl acetate copolymer, ethylene-vinyl alcohol copolymer, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, nylon, polyether ether ketone. , Polysulfone, polyethersulfone, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, polyvinyl fluoride, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, Polyvinylidene fluoride, polyester, polycarbonate, polyurethane, polyimide, polyetherimide, polyimide, polypropylene, etc. It is.
本発明の有機薄膜太陽電池の各層の形成は、真空蒸着、スパッタリング、プラズマ、イオンプレーティング等の乾式成膜法やスピンコーティング、ディップコート、キャスティング、ロールコート、フローコーティング、インクジェット等の湿式成膜法を適用することができる。 The formation of each layer of the organic thin film solar cell of the present invention is performed by a dry film formation method such as vacuum deposition, sputtering, plasma, ion plating, or wet film formation such as spin coating, dip coating, casting, roll coating, flow coating, and ink jet. The law can be applied.
各層の膜厚は特に限定されないが、適切な膜厚に設定する。一般に有機薄膜の励起子拡散長は短いことが知られているため、膜厚が厚すぎると励起子がヘテロ界面に到達する前に失活してしまうため光電変換効率が低くなる。膜厚が薄すぎるとピンホール等が発生してしまうため、充分なダイオード特性が得られないため、変換効率が低下する。通常の膜厚は1nm〜10μmの範囲が適しているが、5nm〜0.2μmの範囲がさらに好ましい。 The thickness of each layer is not particularly limited, but is set to an appropriate thickness. Since it is generally known that the exciton diffusion length of an organic thin film is short, if the film thickness is too thick, the exciton is deactivated before reaching the heterointerface, resulting in low photoelectric conversion efficiency. If the film thickness is too thin, pinholes and the like are generated, so that sufficient diode characteristics cannot be obtained, resulting in a decrease in conversion efficiency. The normal film thickness is suitably in the range of 1 nm to 10 μm, but more preferably in the range of 5 nm to 0.2 μm.
乾式成膜法の場合、公知の抵抗加熱法が好ましく、混合層の形成には、例えば、複数の蒸発源からの同時蒸着による成膜方法が好ましい。さらに好ましくは、成膜時に基板温度を制御する。 In the case of the dry film forming method, a known resistance heating method is preferable, and for forming the mixed layer, for example, a film forming method by simultaneous vapor deposition from a plurality of evaporation sources is preferable. More preferably, the substrate temperature is controlled during film formation.
湿式成膜法の場合、各層を形成する材料を、適切な溶媒に溶解又は分散させて発光性有機溶液を調製し、薄膜を形成するが、任意の溶媒を使用できる。例えば、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、四塩化炭素、テトラクロロエタン、トリクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、クロロトルエン等のハロゲン系炭化水素系溶媒や、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アニソール等のエーテル系溶媒、メタノールやエタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール等のアルコール系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、ヘキサン、オクタン、デカン、テトラリン等の炭化水素系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミル等のエステル系溶媒等が挙げられる。なかでも、炭化水素系溶媒又はエーテル系溶媒が好ましい。また、これらの溶媒は単独で使用しても複数混合して用いてもよい。尚、使用可能な溶媒は、これらに限定されるものではない。 In the case of a wet film forming method, a material for forming each layer is dissolved or dispersed in an appropriate solvent to prepare a light-emitting organic solution to form a thin film, and any solvent can be used. For example, halogenated hydrocarbon solvents such as dichloromethane, dichloroethane, chloroform, carbon tetrachloride, tetrachloroethane, trichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, chlorotoluene, ether solvents such as dibutyl ether, tetrahydrofuran, dioxane, anisole, methanol, Alcohol solvents such as ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, cyclohexanol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, ethylene glycol, hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, hexane, octane, decane, tetralin, Examples include ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate, and amyl acetate. Of these, hydrocarbon solvents or ether solvents are preferable. These solvents may be used alone or in combination. In addition, the solvent which can be used is not limited to these.
本発明においては、有機薄膜太陽電池のいずれの有機薄膜層においても、成膜性向上、膜のピンホール防止等のため適切な樹脂や添加剤を使用してもよい。使用の可能な樹脂としては、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ポリスルフォン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、セルロース等の絶縁性樹脂及びそれらの共重合体、ポリ−N−ビニルカルバゾール、ポリシラン等の光導電性樹脂、ポリチオフェン、ポリピロール等の導電性樹脂を挙げられる。
また、添加剤としては、酸化防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤等が挙げられる。
In the present invention, in any organic thin film layer of the organic thin film solar cell, an appropriate resin or additive may be used for improving the film formability and preventing pinholes in the film. Usable resins include polystyrene, polycarbonate, polyarylate, polyester, polyamide, polyurethane, polysulfone, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, cellulose and other insulating resins and copolymers thereof, poly-N-vinyl. Examples thereof include photoconductive resins such as carbazole and polysilane, and conductive resins such as polythiophene and polypyrrole.
Examples of the additive include an antioxidant, an ultraviolet absorber, and a plasticizer.
実施例1(化合物Aの合成)
化合物Aの原料Aは以下の手順で合成した。
The raw material A of Compound A was synthesized by the following procedure.
化合物Aは以下のようにして合成した。
1H−NMR(400MHz,CDCl3,テトラメチルシラン(TMS))6.68(2H,d,J=8Hz),6.93(2H,t,J=9Hz),7.06−7.08(4H,m),7.19−7.42(6H,m),7.59−7.72(12H,m),7.86(1H,d,J=9z),7.95(1H,d,J=8Hz),7.99(1H,d,J=8Hz),8.17(2H,d,J=9Hz),電界脱離質量分析法(FDMS):計算値C54H35N=698,実測値m/z=698(M+,100),高速液体クロマトグラフィー(HPLC):99.1%(UV254面積%),吸収極大波長:546nm(ジクロロメタン),蛍光極大波長:585nm(ジクロロメタン)
上で得られた固体(1.2g)を340℃/1.9×10−3Paで昇華精製することにより赤色固体(0.9g)を得た。
HPLC:95.7%(UV254面積%)
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 , tetramethylsilane (TMS)) 6.68 (2H, d, J = 8 Hz), 6.93 (2H, t, J = 9 Hz), 7.06 to 7.08 (4H, m), 7.19-7.42 (6H, m), 7.59-7.72 (12H, m), 7.86 (1H, d, J = 9z), 7.95 (1H , D, J = 8 Hz), 7.99 (1H, d, J = 8 Hz), 8.17 (2H, d, J = 9 Hz), field desorption mass spectrometry (FDMS): calculated value C 54 H 35 N = 698, measured value m / z = 698 (M + , 100), high performance liquid chromatography (HPLC): 99.1% (UV254 area%), absorption maximum wavelength: 546 nm (dichloromethane), fluorescence maximum wavelength: 585 nm (Dichloromethane)
The solid (1.2 g) obtained above was purified by sublimation at 340 ° C./1.9×10 −3 Pa to obtain a red solid (0.9 g).
HPLC: 95.7% (UV254 area%)
実施例2(有機薄膜太陽電池の製造)
25mm×75mm×0.7mm厚のITO透明電極付きガラス基板をイソプロピルアルコール中で超音波洗浄を5分間行なった後、UVオゾン洗浄を30分間実施した。洗浄後の透明電極ライン付きガラス基板を真空蒸着装置の基板ホルダーに装着し、まず下部電極である透明電極ラインが形成されている側の面上に、上記透明電極を覆うようにして膜厚30nmの化合物A(p型材料)を抵抗加熱蒸着により、1Å/sで成膜した。
続けて、この化合物A膜上に膜厚60nmのC60(n型材料)を抵抗加熱蒸着により1Å/sで成膜した。さらに、バッファー層として10nmのバソクプロイン(BCP)を1Å/sで成膜した。最後に対向電極として金属Alを膜厚80nm蒸着させ、有機太陽電池を形成した。面積は0.5cm2であった。このように作製された有機太陽電池をAM1.5条件下(光強度100mW/cm2)でI−V特性を測定した。その結果、開放端電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)、曲線因子(FF)、変換効率(η)を表1に示す。
Example 2 (Manufacture of an organic thin film solar cell)
A glass substrate with an ITO transparent electrode having a thickness of 25 mm × 75 mm × 0.7 mm was subjected to ultrasonic cleaning in isopropyl alcohol for 5 minutes, and then UV ozone cleaning was performed for 30 minutes. The glass substrate with the transparent electrode line after cleaning is attached to the substrate holder of the vacuum deposition apparatus, and the film thickness is 30 nm so as to cover the transparent electrode on the surface where the transparent electrode line as the lower electrode is first formed. Compound A (p-type material) was formed at 1 Å / s by resistance heating vapor deposition.
Subsequently, C 60 (n-type material) having a film thickness of 60 nm was formed on this compound A film at 1 Å / s by resistance heating vapor deposition. Furthermore, 10 nm bathocuproine (BCP) was deposited at 1 cm / s as a buffer layer. Finally, metal Al was deposited as a counter electrode to a thickness of 80 nm to form an organic solar cell. The area was 0.5 cm 2 . The thus obtained organic solar cell was measured for IV characteristics under AM1.5 conditions (light intensity 100 mW / cm 2 ). As a result, open circuit voltage (Voc), short circuit current density (Jsc), fill factor (FF), and conversion efficiency (η) are shown in Table 1.
比較例1
化合物AをmTPDへ変更した以外は実施例2と同様に有機太陽電池を作製した。このように作製した有機太陽電池をAM1.5条件下(光強度100mW/cm2)でI−V特性を測定した。開放端電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)、曲線因子(FF)、変換効率(η)を表1に示す。
An organic solar cell was produced in the same manner as in Example 2 except that Compound A was changed to mTPD. The IV characteristics of the organic solar cell thus produced were measured under AM1.5 conditions (light intensity 100 mW / cm 2 ). Table 1 shows the open-circuit voltage (Voc), the short-circuit current density (Jsc), the fill factor (FF), and the conversion efficiency (η).
比較例2
PFTは次の手順で合成した。
PFT was synthesized by the following procedure.
化合物AをPFTへ変更した以外は実施例2と同様に有機太陽電池を作製した。このように作製した有機太陽電池をAM1.5条件下(光強度100mW/cm2)でI−V特性を測定した。開放端電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)、曲線因子(FF)、変換効率(η)を表1に示す。 An organic solar cell was produced in the same manner as in Example 2 except that Compound A was changed to PFT. The IV characteristics of the organic solar cell thus produced were measured under AM1.5 conditions (light intensity 100 mW / cm 2 ). Table 1 shows the open-circuit voltage (Voc), the short-circuit current density (Jsc), the fill factor (FF), and the conversion efficiency (η).
比較例3
RDは特開2009−132674号公報に記載された次の手順で合成した。
RD was synthesized according to the following procedure described in JP2009-132673A.
化合物AをRDへ変更した以外は実施例2と同様に有機太陽電池を作製した。このように作製した有機太陽電池をAM1.5条件下(光強度100mW/cm2)でI−V特性を測定した。開放端電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)、曲線因子(FF)、変換効率(η)を表1に示す。 An organic solar cell was produced in the same manner as in Example 2 except that Compound A was changed to RD. The IV characteristics of the organic solar cell thus produced were measured under AM1.5 conditions (light intensity 100 mW / cm 2 ). Table 1 shows the open-circuit voltage (Voc), the short-circuit current density (Jsc), the fill factor (FF), and the conversion efficiency (η).
一般に、太陽電池の光電変換効率(η)は次式によって表わされる。
表1から分かるように、本発明の化合物は従来のアミン化合物及び多環縮合環化合物に比べ変換効率が向上しており、優れた太陽電池特性を示すことが明らかになった。
この理由として、mTPDは短波長吸収しかないこと、PFTは正孔輸送性が大きくないこと、RDは長波長吸収と正孔輸送性の両方を有するが本発明の化合物よりも長波長吸収の幅が狭いことが考えられる。
As can be seen from Table 1, the compound of the present invention has improved conversion efficiency as compared with conventional amine compounds and polycyclic fused ring compounds, and has been shown to exhibit excellent solar cell characteristics.
This is because mTPD has only short-wavelength absorption, PFT has little hole-transport property, and RD has both long-wavelength absorption and hole-transport property, but has a longer wavelength absorption width than the compound of the present invention. Is considered to be narrow.
本発明の化合物は、有機薄膜太陽電池に使用でき、本発明の有機薄膜太陽電池は時計、携帯電話及びモバイルパソコン等の各種装置、電化製品の電源として使用できる。 The compound of the present invention can be used for an organic thin film solar cell, and the organic thin film solar cell of the present invention can be used as a power source for various devices such as watches, mobile phones and mobile personal computers, and electrical appliances.
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