JP7746715B2 - Organic semiconductor ink, photoelectric conversion layer, and organic photoelectric conversion element - Google Patents
Organic semiconductor ink, photoelectric conversion layer, and organic photoelectric conversion elementInfo
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Description
本発明は、有機半導体インクと、この有機半導体インクを用いて形成された光電変換層及びこの光電変換層を有する有機光電変換素子に関する。 The present invention relates to an organic semiconductor ink, a photoelectric conversion layer formed using this organic semiconductor ink, and an organic photoelectric conversion element having this photoelectric conversion layer.
有機太陽電池や有機光検出器など光電変換素子には、素子製造時のリフロー工程時などの加熱環境に耐えうる耐熱性が必要とされている。しかし、一般的に、これらの素子は製造時に想定される加熱環境に耐えうる十分な耐熱性を有しておらず、その耐熱性不足が光電変換特性の低下を招く恐れがある。
この光電変換特性の低下の要因の1つとしては、以下の通り考えられる。
即ち、光電変換特性には、p型有機半導体とn型有機半導体とから成るバルクヘテロジャンクション(BHJ)型光電変換層の相分離構造(p型有機半導体とn型有機半導体との相溶性)が重要な役割を担っているが、この相分離構造は熱に対して十分な安定性を有していない。このため、高温環境下で相分離構造に変化が生じる。これは、光電変換層内のp型有機半導体とn型有機半導体が高温条件下で流動し、p型有機半導体同士、n型有機半導体同士で一部凝集することで、p型有機半導体とn型有機半導体のバルクヘテロ接合が損なわれるためである。
そこで、光電変換層の耐熱性の改善、相分離構造の耐熱安定性の改善に向けて従来様々な検討がなされてきた。
Photoelectric conversion elements such as organic solar cells and organic photodetectors require heat resistance to withstand the heating environment that occurs during the reflow process during element manufacturing. However, these elements generally do not have sufficient heat resistance to withstand the heating environment expected during manufacturing, and this insufficient heat resistance may lead to a deterioration in photoelectric conversion characteristics.
One of the reasons for the deterioration of the photoelectric conversion characteristics is thought to be as follows.
That is, the phase-separated structure (compatibility between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor) of a bulk heterojunction (BHJ) type photoelectric conversion layer composed of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor plays an important role in the photoelectric conversion characteristics, but this phase-separated structure does not have sufficient stability against heat. Therefore, the phase-separated structure changes in a high-temperature environment. This is because the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the photoelectric conversion layer flow under high-temperature conditions, causing partial aggregation between the p-type organic semiconductors and between the n-type organic semiconductors, which damages the bulk heterojunction between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor.
Therefore, various studies have been conducted to improve the heat resistance of the photoelectric conversion layer and the heat resistance stability of the phase-separated structure.
例えば、非特許文献1には、架橋基を導入したp型半導体を用いて光電変換層に架橋構造を導入することで、光電変換素子の耐熱性を改善することが示されている。
非特許文献2には、P3HT(poly(3-hexylthiophene))とPC61BM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)から成る活性層に熱架橋性モノマーOBOCO(octane-1,8-diylbis(1,4-dihydrobenzo[d][1,2]oxathiine-6-carboxylate-3-oxide))を添加して光電変換層を熱硬化させることで、光電変換層の耐熱性を改善することが示されている。
非特許文献3には、以下の通り、PM6とBTTT-2Clから成る光電変換層に、n型半導体PZ1を添加することで、光電変換層の耐熱性を改善することが示されている。
For example, Non-Patent Document 1 discloses that the heat resistance of a photoelectric conversion element can be improved by introducing a crosslinked structure into a photoelectric conversion layer using a p-type semiconductor into which a crosslinking group has been introduced.
Non-Patent Document 2 shows that the heat resistance of the photoelectric conversion layer can be improved by adding a thermally crosslinkable monomer, OBOCO (octane-1,8-diylbis(1,4-dihydrobenzo[d][1,2]oxathiine- 6 -carboxylate-3-oxide)), to an active layer consisting of P3HT (poly(3-hexylthiophene)) and PC 61 BM ([6,6]-phenyl-C 61 butyric acid methyl ester) and thermally curing the photoelectric conversion layer.
Non-Patent Document 3 shows that the heat resistance of a photoelectric conversion layer made of PM6 and BTTT-2Cl is improved by adding an n-type semiconductor PZ1 to the photoelectric conversion layer, as follows.
特許文献1においては、所定の半導体材料を用いることで、150~220℃、50分の耐熱試験後においても良好な光電変換特性を維持した光電変換素子の開発に成功している。 In Patent Document 1, by using a specific semiconductor material, a photoelectric conversion element was successfully developed that maintained good photoelectric conversion characteristics even after a heat resistance test at 150 to 220°C for 50 minutes.
しかしながら、上記非特許文献1~3の技術では、いずれも以下のような課題がある。
非特許文献1,3に記載の手法では、架橋基を有する有機半導体を新たに開発する必要がある。
また、非特許文献2の熱硬化性モノマーOBOCOの硬化反応にはフラーレン誘導体が必須であり、本手法を用いる場合、光電変換層の半導体材料の選択に制限が生じる。
特許文献1に記載の手法は、耐熱性に富む所定の半導体材料を用いなければならず、半導体材料の選択に制限が生じる点では汎用性に乏しい。
However, the techniques of the above Non-Patent Documents 1 to 3 all have the following problems.
The methods described in Non-Patent Documents 1 and 3 require the development of a new organic semiconductor having a crosslinking group.
Furthermore, a fullerene derivative is essential for the curing reaction of the thermosetting monomer OBOCO in Non-Patent Document 2, and when this method is used, there are limitations on the selection of semiconductor materials for the photoelectric conversion layer.
The method described in Patent Document 1 requires the use of a predetermined semiconductor material that is highly heat-resistant, and is therefore not very versatile in that there are limitations on the selection of semiconductor materials.
これらの従来技術の問題を鑑みると、半導体材料の選択に依らず、添加剤等の後添加によって、耐熱性を付与できる汎用的な系が理想的である。さらに、光電変換層の相分離構造安定化による耐熱性付与を考えた場合、光電変換層内に架橋構造を形成する系が有効である。さらに、光電変換を担う半導体材料への影響を考慮すると、その硬化反応は光ではなく熱で進行することが望ましい。
しかし、このような要求項目を満たす技術は報告されていないのが実状である。
In view of these problems of the prior art, a general-purpose system that can impart heat resistance by post-addition of additives, etc., regardless of the semiconductor material selected, is ideal. Furthermore, when considering the imparting of heat resistance by stabilizing the phase-separated structure of the photoelectric conversion layer, a system that forms a crosslinked structure within the photoelectric conversion layer is effective. Furthermore, considering the impact on the semiconductor material responsible for photoelectric conversion, it is desirable that the curing reaction proceed with heat rather than light.
However, the reality is that no technology that meets these requirements has been reported.
従って、本発明は、配合した添加剤により光電変換層内に架橋構造を形成してその耐熱性を向上させることができ、このため半導体材料の選択の自由度が高く、既存のp型有機半導体及びn型有機半導体の組み合わせに容易に適用することができる有機半導体インクと、この有機半導体インクを用いた光電変換層及びこの光電変換層を含む有機光電変換素子を提供することを課題とする。 The present invention therefore aims to provide an organic semiconductor ink that can improve heat resistance by forming a crosslinked structure within the photoelectric conversion layer using the additives incorporated therein, thereby allowing for greater freedom in the selection of semiconductor materials and making it easily applicable to existing combinations of p-type and n-type organic semiconductors; a photoelectric conversion layer using this organic semiconductor ink; and an organic photoelectric conversion element that includes this photoelectric conversion layer.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、有機半導体インクに、それ自体で架橋構造を形成することができる熱硬化成分を配合して熱硬化させることで、形成される光電変換層の耐熱性を向上させることができ、また、p型有機半導体及びn型有機半導体については、特別な官能性設計や分子設計を要することなく、既存の組み合わせを採用することができることを見出した。 As a result of extensive research to solve the above-mentioned problems, the inventors discovered that by incorporating a thermosetting component capable of forming a crosslinked structure into an organic semiconductor ink and then thermally curing the ink, the heat resistance of the resulting photoelectric conversion layer can be improved, and that existing combinations of p-type and n-type organic semiconductors can be used without the need for special functional or molecular design.
本発明はこのような知見に基づいて達成されたものであり、以下を要旨とする。 The present invention was achieved based on these findings and is summarized as follows:
[1] 非架橋性p型有機半導体、非架橋性n型有機半導体、熱硬化成分及び溶媒を含有することを特徴とする有機半導体インク。 [1] An organic semiconductor ink comprising a non-crosslinkable p-type organic semiconductor, a non-crosslinkable n-type organic semiconductor, a thermosetting component, and a solvent.
[2] 前記熱硬化成分はエポキシ樹脂を主成分として含む[1]に記載の有機半導体インク。 [2] The organic semiconductor ink described in [1], wherein the thermosetting component contains an epoxy resin as a main component.
[3] 前記熱硬化成分が更に硬化剤を含む[2]に記載の有機半導体インク。 [3] The organic semiconductor ink described in [2], wherein the thermosetting component further contains a curing agent.
[4] 前記エポキシ樹脂のエポキシ当量が50~1000g/eq.である[2]又は[3]に記載の有機半導体インク。 [4] The organic semiconductor ink according to [2] or [3], wherein the epoxy resin has an epoxy equivalent of 50 to 1000 g/eq.
[5] 前記熱硬化成分中の前記エポキシ樹脂の含有割合が38~100質量%である[2]ないし[4]のいずれかに記載の有機半導体インク。 [5] The organic semiconductor ink according to any one of [2] to [4], wherein the content of the epoxy resin in the thermosetting component is 38 to 100 mass%.
[6] 前記熱硬化成分の硬化温度が100~220℃の範囲内にある[1]ないし[5]のいずれかに記載の有機半導体インク。 [6] An organic semiconductor ink according to any one of [1] to [5], wherein the curing temperature of the thermosetting component is within the range of 100 to 220°C.
[7] 前記非架橋性p型有機半導体及び非架橋性n型有機半導体の合計100質量部に対する前記熱硬化成分の含有割合が1~100質量部である[1]ないし[6]のいずれかに記載の有機半導体インク。 [7] The organic semiconductor ink according to any one of [1] to [6], wherein the content of the thermosetting component is 1 to 100 parts by mass per 100 parts by mass of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor and the non-crosslinkable n-type organic semiconductor combined.
[8] 固形分濃度が10~30mg/mLである[1]ないし[7]のいずれかに記載の有機半導体インク。 [8] The organic semiconductor ink according to any one of [1] to [7], having a solids concentration of 10 to 30 mg/mL.
[9] 前記溶媒が、芳香族系溶媒を含む[1]ないし[8]のいずれかに記載の有機半導体インク。 [9] The organic semiconductor ink according to any one of [1] to [8], wherein the solvent includes an aromatic solvent.
[10] 前記非架橋性p型有機半導体が共役高分子であり、前記非架橋性n型有機半導体がフラーレン骨格非含有半導体である[1]ないし[9]のいずれかに記載の有機半導体インク。 [10] The organic semiconductor ink according to any one of [1] to [9], wherein the non-crosslinkable p-type organic semiconductor is a conjugated polymer, and the non-crosslinkable n-type organic semiconductor is a semiconductor not containing a fullerene skeleton.
[11] 前記非架橋性n型有機半導体が、下記式(I)で表される化合物及び/又は下記式(I)で表される化合物の2以上の多量体を含む[10]に記載の有機半導体インク。 [11] The organic semiconductor ink according to [10], wherein the non-crosslinkable n-type organic semiconductor comprises a compound represented by the following formula (I) and/or a polymer of two or more compounds represented by the following formula (I):
(上記式(I)中、Aは周期表第14族から選ばれる原子を表し、X1~X4は、それぞれ独立して、水素原子又はハロゲン原子を表す。R1a,R1bは、それぞれ独立して、直鎖又は分岐のアルキル基を表し、R2~R5は、それぞれ独立して、直鎖又は分岐のアルキル基、直鎖又は分岐のアルコキシ基、直鎖又は分岐のチオアルキル基、或いは水素原子を表す。) (In the above formula (I), A represents an atom selected from Group 14 of the periodic table; X 1 to X 4 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom; R 1a and R 1b each independently represent a linear or branched alkyl group; and R 2 to R 5 each independently represent a linear or branched alkyl group, a linear or branched alkoxy group, a linear or branched thioalkyl group, or a hydrogen atom.)
[12] [1]ないし[11]のいずれかに記載の有機半導体インクの塗膜を加熱硬化させてなる光電変換層。 [12] A photoelectric conversion layer obtained by heat-curing a coating film of the organic semiconductor ink described in any one of [1] to [11].
[13] [12]に記載の光電変換層を含む有機光電変換素子。 [13] An organic photoelectric conversion element comprising the photoelectric conversion layer described in [12].
本発明の有機半導体インクは、熱硬化成分を含むため、この熱硬化成分を熱硬化させることで光電変換層内に架橋構造を形成することができる。このため、この架橋構造の架橋の網目で、高温環境下でのp型有機半導体及びn型有機半導体の流動を抑制し、p型有機半導体とn型有機半導体の相分離構造を安定化させることで耐熱性を改善することができる。
このように、本発明では、有機半導体インク中の熱硬化成分自体で架橋構造を形成できるため、p型有機半導体やn型有機半導体に、架橋反応のための官能基の導入や架橋反応のための分子設計は必要とされない。
このため、半導体材料の選択の自由度が高く、既存のp型有機半導体及びn型有機半導体の組み合わせに容易に適用した上で、高温環境下でも光電変換特性の低下が少なく、耐熱性に優れた光電変換層及びこの光電変換層を有する有機光電変換素子を提供することができる。
The organic semiconductor ink of the present invention contains a thermosetting component, and by thermally curing this thermosetting component, a crosslinked structure can be formed in the photoelectric conversion layer. Therefore, the network of crosslinks in this crosslinked structure suppresses the flow of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in a high-temperature environment, and stabilizes the phase-separated structure of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor, thereby improving heat resistance.
In this way, in the present invention, the thermosetting component in the organic semiconductor ink itself can form a crosslinked structure, so there is no need to introduce functional groups for crosslinking reactions into the p-type organic semiconductor or n-type organic semiconductor, or to design the molecules for crosslinking reactions.
Therefore, there is a high degree of freedom in the selection of semiconductor materials, and the present invention can be easily applied to combinations of existing p-type organic semiconductors and n-type organic semiconductors. Furthermore, the present invention can provide a photoelectric conversion layer with excellent heat resistance and little deterioration in photoelectric conversion properties even in high-temperature environments, as well as an organic photoelectric conversion element having this photoelectric conversion layer.
以下に本発明を実施するための形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の代表例であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。 The following describes in detail the modes for implementing the present invention. However, the following explanations of the constituent elements are representative examples of embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these details.
[有機半導体インク]
本発明の有機半導体インクは、非架橋性p型有機半導体、非架橋性n型有機半導体、熱硬化成分及び溶媒を含有することを特徴とする。
[Organic semiconductor ink]
The organic semiconductor ink of the present invention is characterized by containing a non-crosslinkable p-type organic semiconductor, a non-crosslinkable n-type organic semiconductor, a thermosetting component, and a solvent.
本発明において、「非架橋性p型有機半導体」の「非架橋性」とは、p型有機半導体と熱硬化成分とが架橋反応しないことを意味し、p型有機半導体同士が架橋或いは重合ないし縮合反応することを排除するものではない。同様に、「非架橋性n型有機半導体」の「非架橋性」についても、n型有機半導体と熱硬化成分とが架橋反応しないことを意味し、n型有機半導体同士が架橋或いは重合ないし縮合反応することを排除するものではない。また、これらの有機半導体の「非架橋性」は、「p型有機半導体」と「n型有機半導体」が架橋或いは重合ないし縮合反応することを排除するものではない。
また、「熱硬化成分」とは、それ自体が熱により架橋硬化して架橋構造を形成する成分を含むものを意味する。
In the present invention, the "non-crosslinkable" in "non-crosslinkable p-type organic semiconductor" means that the p-type organic semiconductor and the thermosetting component do not undergo a crosslinking reaction, and does not exclude crosslinking, polymerization, or condensation reactions between p-type organic semiconductors. Similarly, the "non-crosslinkable" in "non-crosslinkable n-type organic semiconductor" means that the n-type organic semiconductor and the thermosetting component do not undergo a crosslinking reaction, and does not exclude crosslinking, polymerization, or condensation reactions between n-type organic semiconductors. Furthermore, the "non-crosslinkable" of these organic semiconductors does not exclude crosslinking, polymerization, or condensation reactions between the "p-type organic semiconductor" and the "n-type organic semiconductor".
Furthermore, the term "thermosetting component" refers to a component that itself crosslinks and hardens when exposed to heat to form a crosslinked structure.
<メカニズム>
本発明の有機半導体インクによる光電変換層の耐熱性向上効果のメカニズムを図1を参照して説明する。
従来の有機半導体インクは、図1(a)に示すように、p型有機半導体(図1においてp型ポリマー)とn型有機半導体(図1においてn型分子)が溶媒に溶解したものであり、この有機半導体インクを成膜して形成される光電変換層内でp型ポリマーとn型分子が相溶することで、高い光電変換効率が得られる。
しかし、従来法では、高温環境(例えば150~220℃,50分の耐熱試験)に晒されると、p型ポリマーとn型分子は流動し、それぞれが凝集することで相溶性が大きく損なわれ、これらが一部局在化することで、光電変換効率が低下する。
素子工程で想定される加熱環境による光電変換特性の低下を防ぐ耐熱性の点では、好ましくは140℃以上、より好ましくは180℃以上、特に200℃以上の耐熱性を持つことが好ましい。
<Mechanism>
The mechanism of the effect of improving the heat resistance of the photoelectric conversion layer by the organic semiconductor ink of the present invention will be explained with reference to FIG.
As shown in Figure 1(a), conventional organic semiconductor inks consist of a p-type organic semiconductor (a p-type polymer in Figure 1) and an n-type organic semiconductor (an n-type molecule in Figure 1) dissolved in a solvent. The p-type polymer and n-type molecule are compatible with each other in the photoelectric conversion layer formed by depositing this organic semiconductor ink, resulting in high photoelectric conversion efficiency.
However, in conventional methods, when exposed to a high-temperature environment (for example, a heat resistance test at 150 to 220°C for 50 minutes), the p-type polymer and n-type molecules flow and aggregate, significantly impairing their compatibility, and the resulting partial localization of these molecules reduces the photoelectric conversion efficiency.
In terms of heat resistance to prevent deterioration of photoelectric conversion characteristics due to the heating environment expected in the device manufacturing process, it is preferable that the heat resistance be 140°C or higher, more preferably 180°C or higher, and particularly preferably 200°C or higher.
これに対して、本発明の有機半導体インクは、熱硬化成分を含むため、この有機半導体インクを成膜して熱硬化させると、形成される光電変換層内で熱硬化成分が架橋構造を形成する。このように熱硬化成分の架橋構造が形成された光電変換層では、高温環境(例えば150~220℃,50分の耐熱試験)に晒されても、p型ポリマーとn型分子は熱硬化成分の架橋構造の網目に流動が阻止され、両者の相溶性は殆ど損なわれることなく、このため、光電変換効率の低下は抑制される。 In contrast, the organic semiconductor ink of the present invention contains a thermosetting component, and when this organic semiconductor ink is formed into a film and thermally cured, the thermosetting component forms a crosslinked structure within the resulting photoelectric conversion layer. In a photoelectric conversion layer in which a crosslinked structure of the thermosetting component has been formed in this way, even when exposed to a high-temperature environment (e.g., a heat resistance test at 150-220°C for 50 minutes), the flow of the p-type polymer and n-type molecules is prevented by the network of the crosslinked structure of the thermosetting component, and the compatibility of the two is hardly impaired, thereby suppressing a decrease in photoelectric conversion efficiency.
<熱硬化成分>
本発明で用いる熱硬化成分は、加熱により硬化して、光電変換層内に網目状の架橋構造を形成することができるものであればよく、特に制限はない。
<Thermosetting component>
The thermosetting component used in the present invention is not particularly limited as long as it can be cured by heating to form a network-like crosslinked structure in the photoelectric conversion layer.
熱硬化成分としては、耐熱性向上に有効な架橋構造を形成し易い観点から、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等の1種又は2種以上を主成分とするものが好ましく、特にエポキシ樹脂を用いることが好ましい。なお、ここで「主成分」とは、熱硬化成分に含まれる成分のうち最も含有量の多い成分をさし、好ましくは熱硬化成分中の主成分の含有量は38質量%以上、特に好ましくは49~100質量%である。 The thermosetting component is preferably one that contains one or more of the following resins as its main component, such as epoxy resin, phenolic resin, melamine resin, urethane resin, or silicone resin, as these resins are more likely to form crosslinked structures that effectively improve heat resistance. Epoxy resin is particularly preferred. Note that "main component" here refers to the component contained in the thermosetting component with the largest content. The main component content in the thermosetting component is preferably 38% by mass or more, and particularly preferably 49 to 100% by mass.
熱硬化成分としてエポキシ樹脂を用いる場合、エポキシ樹脂の硬化剤を併用することが好ましく、硬化剤を併用することで、熱硬化を速やかに進行させることができる。 When using epoxy resin as the thermosetting component, it is preferable to use a curing agent for the epoxy resin in combination, as the use of a curing agent in combination allows the thermosetting process to proceed more quickly.
(エポキシ樹脂)
エポキシ樹脂としては、特に制限はなく一般的にエポキシ樹脂として知られているものはすべて使用できる。
(epoxy resin)
The epoxy resin is not particularly limited, and any epoxy resin generally known as an epoxy resin can be used.
使用可能なエポキシ樹脂としては、例えば、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン骨格を有するエポキシ樹
脂をはじめとするフェノール、クレゾール、キシレノール、レゾルシン、カテコール、ビスフェノールA、ビスフェノールF等のフェノール類及び/又はα-ナフトール、β-ナフトール、ジヒドロキシナフタレン等のナフトール類とホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド等のアルデヒド基を有する化合物とを酸性触媒下で縮合又は共縮合させて得られるノボラック樹脂をエポキシ化したもの、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、アルキル置換又は非置換のビフェノール等のジグリシジルエーテル、スチルベン型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、フタル酸、ダイマー酸等の多塩基酸とエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルメタン、イソシアヌル酸等のポリアミンとエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエンとフェノール類の共縮合樹脂のエポキシ化物、ナフタレン環を有するエポキシ樹脂、キシリレン骨格、ビフェニレン骨格を含有するフェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等のアラルキル型フェノール樹脂のエポキシ化物、トリメチロールプロパン型エポキシ樹脂、テルペン変性エポキシ樹脂、オレフィン結合を過酢酸等の過酸で酸化して得られる線状脂肪族エポキシ樹脂又は脂環族エポキシ樹脂、硫黄原子含有エポキシ樹脂などが挙げられる。これらのエポキシ樹脂は単独で用いても2種以上を組み合わせて併用して用いてもよい。
Examples of epoxy resins that can be used include phenol novolac epoxy resins, orthocresol novolac epoxy resins, epoxy resins having a triphenylmethane skeleton, and other novolac resins obtained by condensing or co-condensing phenols such as phenols, cresol, xylenol, resorcinol, catechol, bisphenol A, bisphenol F, etc. and/or naphthols such as α-naphthol, β-naphthol, dihydroxynaphthalene, etc. with compounds having an aldehyde group such as formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, benzaldehyde, salicylaldehyde, etc. under an acidic catalyst; diglycidyl ethers of bisphenol A, bisphenol F, bisphenol S, alkyl-substituted or unsubstituted biphenols, etc.; stilbene epoxy resins. Examples of epoxy resins include epoxidized epoxy resins, hydroquinone-type epoxy resins, glycidyl ester-type epoxy resins obtained by reacting epichlorohydrin with polybasic acids such as phthalic acid or dimer acid, glycidylamine-type epoxy resins obtained by reacting epichlorohydrin with polyamines such as diaminodiphenylmethane or isocyanuric acid, epoxidized products of co-condensation resins of dicyclopentadiene and phenols, epoxidized products of aralkyl-type phenol resins such as naphthalene ring-containing epoxy resins, phenol aralkyl resins containing a xylylene skeleton or a biphenylene skeleton, and naphthol aralkyl resins, trimethylolpropane-type epoxy resins, terpene-modified epoxy resins, linear aliphatic epoxy resins or alicyclic epoxy resins obtained by oxidizing olefin bonds with a peracid such as peracetic acid, and sulfur-containing epoxy resins. These epoxy resins may be used alone or in combination of two or more.
なかでも、硬化性の観点からはノボラック型エポキシ樹脂が好ましく、低吸湿性の観点からはジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂が好ましく、耐熱性及び低反り性の観点からはナフタレン型エポキシ樹脂及びトリフェニルメタン型エポキシ樹脂が好ましく、難燃性の観点からはビフェニレン型エポキシ樹脂及びナフトールアラルキル型エポキシ樹脂が好ましい。 Among these, novolac-type epoxy resins are preferred from the viewpoint of curability, dicyclopentadiene-type epoxy resins are preferred from the viewpoint of low moisture absorption, naphthalene-type epoxy resins and triphenylmethane-type epoxy resins are preferred from the viewpoint of heat resistance and low warpage, and biphenylene-type epoxy resins and naphthol aralkyl-type epoxy resins are preferred from the viewpoint of flame retardancy.
エポキシ樹脂としては、加熱硬化によりp型有機半導体とn型有機半導体の流動を阻止し得る網状構造の架橋点を多く形成することで、光電変換層内に耐熱性向上に効果的な架橋構造を形成し易いことから、エポキシ当量が小さいものを用いることが好ましく、一方で、エポキシ樹脂の取り扱い性の面ではエポキシ当量の大きいものを用いることが好ましい。このような観点から、エポキシ樹脂のエポキシ当量は50~1000g/eq.であることが好ましく、70~500g/eq.であることがより好ましく、特に90~300g/eq.であることが好ましい。
なお、本発明において「エポキシ当量」とは、「1当量のエポキシ基を含むエポキシ化合物の質量」と定義され、JIS K7236に準じて測定することができる。
As the epoxy resin, it is preferable to use one with a small epoxy equivalent because this easily forms a crosslinked structure in the photoelectric conversion layer that is effective in improving heat resistance by forming many crosslinking points in a network structure that can prevent the flow of p-type organic semiconductors and n-type organic semiconductors by heat curing, while it is preferable to use one with a large epoxy equivalent in terms of handleability of the epoxy resin. From this perspective, the epoxy equivalent of the epoxy resin is preferably 50 to 1000 g/eq., more preferably 70 to 500 g/eq., and particularly preferably 90 to 300 g/eq.
In the present invention, the term "epoxy equivalent" is defined as "the mass of an epoxy compound containing one equivalent of an epoxy group" and can be measured in accordance with JIS K7236.
これらのエポキシ樹脂は、市販品を用いることができ、使用し得る市販のエポキシ樹脂としては、例えば、jER825(エポキシ当量175g/eq)、jER827(エポキシ当量185g/eq)、jER828(エポキシ当量189g/eq)、jER834(ポキシ当量250g/eq)、jER806(エポキシ当量165g/eq)、jER807(エポキシ当量170g/eq)、jER604(エポキシ当量120g/eq)、jER630(エポキシ当量98g/eq)、jER1032H60(エポキシ当量169g/eq)、jER152(エポキシ当量175g/eq)、jER154(エポキシ当量178g/eq)、jER157S70(エポキシ当量210g/eq)、YX-7700(エポキシ当量273g/eq)、YX-8000(エポキシ当量205g/eq)、YX-8800(エポキシ当量179g/eq)、YX-4000(エポキシ当量186g/eq)、YX-7105(エポキシ当量480g/eq)、YX-7400(エポキシ当量440g/eq)(いずれも商品名、三菱ケミカル株式会社製)、YD-127(エポキシ当量185g/eq)、YD-128(エポキシ当量189g/eq)、YDF-170(エポキシ当量170g/eq)、YDPN-638(エポキシ当量180g/eq)、TX-0911(エポキシ当量172g/eq)(いずれも商品名、新日鉄住金ケミカル&マテリアル株式会社製)、EPICLON840(エポキシ当量185g/eq)、EPICLON850(エポキシ当量189g/eq)、EPICLON830(エポキシ当量170g/eq)、EPICLON835(エポキシ当量172g/eq)、HP-4032(エポキシ当量150g/eq)、HP-4700(エポキシ当量162g/eq)、HP-4770(エポキシ当量204g/eq)、HP-4750(エポキシ当量185g/eq)、HP-7200(エポキシ当量265g/eq)、N-730A(エポキシ当量174g/eq)、N-740(エポキシ当量181g/eq)、N-770(エポキシ当量187g/eq)、TSR-400(エポキシ当量338g/eq)(いずれも商品名、DIC株式会社製)、GAN(エポキシ当量125g/eq)、GOT(エポキシ当量135g/eq)、NC-2000(エポキシ当量241g/eq)、NC-3000(エポキシ当量275g/eq)(いずれも商品名、日本化薬株式会社製)、MY-0500(エポキシ当量110g/eq)、MY-0600(エポキシ当量106g/eq)、ECN-1299(エポキシ当量230g/eq)(いずれも商品名、ハンツマンジャパン株式会社製)、D.E.R331、D.E.R354(エポキシ当量170g/eq)(エポキシ当量187/eq)、D.E.R332(エポキシ当量173g/eq)(いずれも商品名、THE DOW CHEMICAL COMPANY社製)等が挙げられるが、何らこれらに限定されるものではない。 These epoxy resins can be commercially available products. Examples of commercially available epoxy resins that can be used include jER825 (epoxy equivalent weight 175 g/eq), jER827 (epoxy equivalent weight 185 g/eq), jER828 (epoxy equivalent weight 189 g/eq), jER834 (epoxy equivalent weight 250 g/eq), jER806 (epoxy equivalent weight 165 g/eq), jER807 (epoxy equivalent weight 170 g/eq), jER604 (epoxy equivalent weight 120 g/eq), jER630 (epoxy equivalent weight 98 g/eq), jER1032H60 (epoxy equivalent weight 169 g/eq), jER152 (epoxy equivalent weight 175 g/eq), and jER154 (epoxy equivalent weight 17 8g/eq), jER157S70 (epoxy equivalent 210g/eq), YX-7700 (epoxy equivalent 273g/eq), YX-8000 (epoxy equivalent 205g/eq), YX-8800 (epoxy equivalent 179g/eq), YX-4000 (epoxy equivalent 186g/eq), YX-7105 (epoxy equivalent 480g/eq), YX-7400 (epoxy equivalent 440g/eq) (all trade names, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), YD-127 (epoxy equivalent 185g/eq), YD-128 (epoxy equivalent 189g/eq), YDF-170 (epoxy equivalent 170g/eq), YDPN-638 (epoxy equivalent 180g/eq), TX-0 911 (epoxy equivalent weight 172 g/eq) (all trade names, manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical & Material Co., Ltd.), EPICLON 840 (epoxy equivalent weight 185 g/eq), EPICLON 850 (epoxy equivalent weight 189 g/eq), EPICLON 830 (epoxy equivalent weight 170 g/eq), EPICLON 835 (epoxy equivalent weight 172 g/eq), HP-4032 (epoxy equivalent weight 150 g/eq), HP-4700 (epoxy equivalent weight 162 g/eq), HP-4770 (epoxy equivalent weight 204 g/eq), HP-4750 (epoxy equivalent weight 185 g/eq), HP-7200 (epoxy equivalent weight 265 g/eq), N-730A (epoxy equivalent weight 174 g/eq) eq), N-740 (epoxy equivalent 181 g/eq), N-770 (epoxy equivalent 187 g/eq), TSR-400 (epoxy equivalent 338 g/eq) (all trade names, manufactured by DIC Corporation), GAN (epoxy equivalent 125 g/eq), GOT (epoxy equivalent 135 g/eq), NC-2000 (epoxy equivalent 241 g/eq), NC-3000 (epoxy equivalent 275 g/eq) (all trade names, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), MY-0500 (epoxy equivalent 110 g/eq), MY-0600 (epoxy equivalent 106 g/eq), ECN-1299 (epoxy equivalent 230 g/eq) (all trade names, manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd.), D.E. R331, D.E. Examples include, but are not limited to, D.E. R354 (epoxy equivalent weight 170 g/eq) (epoxy equivalent weight 187/eq), D.E. R332 (epoxy equivalent weight 173 g/eq) (all trade names, manufactured by The Dow Chemical Company).
このようなエポキシ樹脂の熱硬化成分中の含有割合は38~100質量%であることが好ましく、49~99.5質量%であることがより好ましく、75~99.5質量%であることが特に好ましい。熱硬化成分中のエポキシ樹脂の含有割合が上記下限以上であればエポキシ樹脂により耐熱性向上に有効な架橋構造を効率的に形成することができる。熱硬化成分中のエポキシ樹脂の含有割合が上記上限以下であれば、以下に示す硬化剤等の併用成分の含有割合を確保して硬化反応を円滑に促進させることができる。 The content of such epoxy resin in the thermosetting component is preferably 38 to 100% by mass, more preferably 49 to 99.5% by mass, and particularly preferably 75 to 99.5% by mass. If the content of epoxy resin in the thermosetting component is above the above-mentioned lower limit, the epoxy resin can efficiently form a crosslinked structure that is effective in improving heat resistance. If the content of epoxy resin in the thermosetting component is below the above-mentioned upper limit, the content of co-component components such as the curing agent shown below can be ensured, and the curing reaction can be smoothly promoted.
(硬化剤)
本発明において硬化剤とは、エポキシ樹脂のエポキシ基間の架橋反応及び/又は鎖長延長反応に寄与する物質を示す。なお、本発明においては通常、「硬化促進剤」、「硬化触媒」と呼ばれるものであってもエポキシ樹脂のエポキシ基間の架橋反応及び/又は鎖長延長反応に寄与する物質であれば、硬化剤とみなすこととする。
(hardening agent)
In the present invention, a curing agent refers to a substance that contributes to the crosslinking reaction and/or chain extension reaction between epoxy groups of an epoxy resin. In the present invention, even substances that are usually called "curing accelerators" or "curing catalysts" are considered to be curing agents as long as they contribute to the crosslinking reaction and/or chain extension reaction between epoxy groups of an epoxy resin.
硬化剤としては、特に制限はなく一般的にエポキシ樹脂硬化剤として知られているものはすべて使用できる。例えば、フェノール系硬化剤、脂肪族アミン、ポリエーテルアミン、脂環式アミン、芳香族アミンなどのアミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミド系硬化剤、第3級アミン、イミダゾール類等が挙げられる。 There are no particular restrictions on the curing agent, and any commonly known epoxy resin curing agent can be used. Examples include phenol-based curing agents, amine-based curing agents such as aliphatic amines, polyether amines, alicyclic amines, and aromatic amines, acid anhydride-based curing agents, amide-based curing agents, tertiary amines, and imidazoles.
このうち、耐熱性等の観点からは、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミド系硬化剤を含むことが好ましい。また、イミダゾール類を用いることも、硬化反応を十分に進行させ、耐熱性を向上させる観点から好ましい。
硬化剤は1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
Among these, it is preferable to use a phenol-based curing agent, an acid anhydride-based curing agent, or an amide-based curing agent from the viewpoint of heat resistance, etc. It is also preferable to use an imidazole compound from the viewpoint of sufficiently progressing the curing reaction and improving heat resistance.
The curing agent may be used alone or in combination of two or more.
<フェノール系硬化剤>
フェノール系硬化剤の具体例としては、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、ビスフェノールAD、ハイドロキノン、レゾルシン、メチルレゾルシン、ビフェノール、テトラメチルビフェノール、ジヒドロキシナフタレン、ジヒドロキシジフェニルエーテル、チオジフェノール類、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、テルペンフェノール樹脂、ジシクロペンタジエンフェノール樹脂、ビスフェノールAノボラック樹脂、トリスフェノールメタン型樹脂、ナフトールノボラック樹脂、臭素化ビスフェノールA、臭素化フェノールノボラック樹脂等の種々の多価フェノール類や、種々のフェノール類とベンズアルデヒド、ヒドロキシベンズアルデヒド、クロトンアルデヒド、グリオキザール等の種々のアルデヒド類との縮合反応で得られる多価フェノール樹脂類、キシレン樹脂とフェノール類との縮合反応で得られる多価フェノール樹脂類、重質油又はピッチ類とフェノール類とホルムアルデヒド類との共縮合樹脂、フェノール・ベンズアルデヒド・キシリレンジメトキサイド重縮合物、フェノール・ベンズアルデヒド・キシリレンジハライド重縮合物、フェノール・ベンズアルデヒド・4,4’-ジメトキサイドビフェニル重縮合物、フェノール・ベンズアルデヒド・4,4’-ジハライドビフェニル重縮合物等の各種のフェノール樹脂類等が挙げられる。
<Phenol-based hardener>
Specific examples of phenolic curing agents include various polyhydric phenols such as bisphenol A, bisphenol F, bisphenol S, bisphenol AD, hydroquinone, resorcinol, methylresorcinol, biphenol, tetramethylbiphenol, dihydroxynaphthalene, dihydroxydiphenyl ether, thiodiphenols, phenol novolac resin, cresol novolac resin, phenol aralkyl resin, biphenyl aralkyl resin, naphthol aralkyl resin, terpene phenol resin, dicyclopentadiene phenol resin, bisphenol A novolac resin, trisphenolmethane type resin, naphthol novolac resin, brominated bisphenol A, and brominated phenol novolac resin. Examples of the polyhydric phenol resin include polyhydric phenol resins obtained by the condensation reaction of phenols with various aldehydes such as benzaldehyde, hydroxybenzaldehyde, crotonaldehyde, and glyoxal, polyhydric phenol resins obtained by the condensation reaction of xylene resin and phenols, co-condensation resins of heavy oils or pitches with phenols and formaldehydes, and various phenol resins such as phenol-benzaldehyde-xylylene dimethoxide polycondensates, phenol-benzaldehyde-xylylene dihalide polycondensates, phenol-benzaldehyde-4,4'-dimethoxide biphenyl polycondensates, and phenol-benzaldehyde-4,4'-dihalide biphenyl polycondensates.
これらのフェノール系硬化剤は、1種のみで用いても2種以上を任意の組み合わせ及び配合比率で組み合わせて用いてもよい。 These phenolic curing agents may be used alone or in any combination of two or more in any ratio.
フェノール系硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂100質量部に対して好ましくは0.1~1000質量部であり、より好ましくは500質量部以下、更に好ましくは300質量部以下、特に好ましくは100質量部以下である。 The amount of phenolic curing agent added is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass per 100 parts by mass of epoxy resin, more preferably 500 parts by mass or less, even more preferably 300 parts by mass or less, and particularly preferably 100 parts by mass or less.
<アミン系硬化剤>
アミン系硬化剤(ただし、第3級アミンを除く。)の例としては、脂肪族アミン類、ポリエーテルアミン類、脂環式アミン類、芳香族アミン類等が挙げられる。
<Amine-based curing agent>
Examples of the amine-based curing agent (excluding tertiary amines) include aliphatic amines, polyether amines, alicyclic amines, and aromatic amines.
脂肪族アミン類としては、エチレンジアミン、1,3-ジアミノプロパン、1,4-ジアミノプロパン、ヘキサメチレンジアミン、2,5-ジメチルヘキサメチレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、イミノビスプロピルアミン、ビス(ヘキサメチレン)トリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、N-ヒドロキシエチルエチレンジアミン、テトラ(ヒドロキシエチル)エチレンジアミン等が例示される。 Examples of aliphatic amines include ethylenediamine, 1,3-diaminopropane, 1,4-diaminopropane, hexamethylenediamine, 2,5-dimethylhexamethylenediamine, trimethylhexamethylenediamine, diethylenetriamine, iminobispropylamine, bis(hexamethylene)triamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, pentaethylenehexamine, N-hydroxyethylethylenediamine, and tetra(hydroxyethyl)ethylenediamine.
ポリエーテルアミン類としては、トリエチレングリコールジアミン、テトラエチレングリコールジアミン、ジエチレングリコールビス(プロピルアミン)、ポリオキシプロピレンジアミン、ポリオキシプロピレントリアミン類等が例示される。 Examples of polyetheramines include triethylene glycol diamine, tetraethylene glycol diamine, diethylene glycol bis(propylamine), polyoxypropylene diamine, and polyoxypropylene triamines.
脂環式アミン類としては、イソホロンジアミン、メタセンジアミン、N-アミノエチルピペラジン、ビス(4-アミノ-3-メチルジシクロヘキシル)メタン、ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、3,9-ビス(3-アミノプロピル)-2,4,8,10-テトラオキサスピロ(5,5)ウンデカン、ノルボルネンジアミン等が例示される。 Examples of alicyclic amines include isophoronediamine, methacenediamine, N-aminoethylpiperazine, bis(4-amino-3-methyldicyclohexyl)methane, bis(aminomethyl)cyclohexane, 3,9-bis(3-aminopropyl)-2,4,8,10-tetraoxaspiro(5,5)undecane, and norbornenediamine.
芳香族アミン類としては、テトラクロロ-p-キシレンジアミン、m-キシレンジアミン、p-キシレンジアミン、m-フェニレンジアミン、o-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、2,4-ジアミノアニソール、2,4-トルエンジアミン、2,4-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノ-1,2-ジフェニルエタン、2,4-ジアミノジフェニルスルホン、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、m-アミノフェノール、m-アミノベンジルアミン、ベンジルジメチルアミン、2-(ジメチルアミノメチル)フェノール、トリエタノールアミン、メチルベンジルアミン、α-(m-アミノフェニル)エチルアミン、α-(p-アミノフェニル)エチルアミン、ジアミノジエチルジメチルジフェニルメタン、α,α’-ビス(4-アミノフェニル)-p-ジイソプロピルベンゼン等が例示される。 Examples of aromatic amines include tetrachloro-p-xylylenediamine, m-xylylenediamine, p-xylylenediamine, m-phenylenediamine, o-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 2,4-diaminoanisole, 2,4-toluenediamine, 2,4-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diamino-1,2-diphenylethane, 2,4-diaminodiphenylsulfone, 4,4'-diaminodiphenylsulfone, m-aminophenol, m-aminobenzylamine, benzyldimethylamine, 2-(dimethylaminomethyl)phenol, triethanolamine, methylbenzylamine, α-(m-aminophenyl)ethylamine, α-(p-aminophenyl)ethylamine, diaminodiethyldimethyldiphenylmethane, and α,α'-bis(4-aminophenyl)-p-diisopropylbenzene.
以上で挙げたアミン系硬化剤は1種のみで用いても2種以上を任意の組み合わせ及び配合比率で組み合わせて用いてもよい。 The above-listed amine-based curing agents may be used alone or in any combination of two or more in any ratio.
アミン系硬化剤は、エポキシ樹脂中のエポキシ基に対する硬化剤中の官能基の当量比で0.8~1.5の範囲となるように用いることが好ましい。この範囲内であると未反応のエポキシ基や硬化剤の官能基が残留しにくくなるために好ましい。 Amine-based curing agents are preferably used so that the equivalent ratio of functional groups in the curing agent to epoxy groups in the epoxy resin is in the range of 0.8 to 1.5. This range is preferable because it reduces the likelihood of unreacted epoxy groups or functional groups from the curing agent remaining.
第3級アミンとしては、1,8-ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン-7、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール等が例示される。 Examples of tertiary amines include 1,8-diazabicyclo(5,4,0)undecene-7, triethylenediamine, benzyldimethylamine, triethanolamine, dimethylaminoethanol, and tris(dimethylaminomethyl)phenol.
以上で挙げた第3級アミンは1種のみで用いても2種以上を任意の組み合わせ及び配合比率で組み合わせて用いてもよい。 The tertiary amines listed above may be used alone or in any combination of two or more in any ratio.
上記の第3級アミンは、エポキシ樹脂中のエポキシ基に対する硬化剤中の官能基の当量比で0.8~1.5の範囲となるように用いることが好ましい。この範囲内であると未反応のエポキシ基や硬化剤の官能基が残留しにくくなるために好ましい。 The above tertiary amines are preferably used so that the equivalent ratio of the functional groups in the curing agent to the epoxy groups in the epoxy resin is in the range of 0.8 to 1.5. This range is preferable because it reduces the likelihood of unreacted epoxy groups or functional groups from the curing agent remaining.
<酸無水物系硬化剤>
酸無水物系硬化剤としては、酸無水物、酸無水物の変性物等が挙げられる。
酸無水物としては、例えば、フタル酸無水物、トリメリット酸無水物、ピロメリット酸無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、ドデセニルコハク酸無水物、ポリアジピン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物、ポリセバシン酸無水物、ポリ(エチルオクタデカン二酸)無水物、ポリ(フェニルヘキサデカン二酸)無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、メチルテトラヒドロフタル酸無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、ヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルハイミック酸無水物、トリアルキルテトラヒドロフタル酸無水物、メチルシクロヘキセンジカルボン酸無水物、メチルシクロヘキセンテトラカルボン酸無水物、エチレングリコールビストリメリテート二無水物、ヘット酸無水物、ナジック酸無水物、メチルナジック酸無水物、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロ-3-フラニル)-3-メチル-3-シクロヘキサン-1,2-ジカルボン酸無水物、3,4-ジカルボキシ-1,2,3,4-テトラヒドロ-1-ナフタレンコハク酸二無水物、1-メチル-ジカルボキシ-1,2,3,4-テトラヒドロ-1-ナフタレンコハク酸二無水物等が挙げられる。
<Acid anhydride curing agent>
Examples of the acid anhydride curing agent include acid anhydrides and modified acid anhydrides.
Examples of acid anhydrides include phthalic anhydride, trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, benzophenonetetracarboxylic anhydride, dodecenylsuccinic anhydride, polyadipic anhydride, polyazelaic anhydride, polysebacic anhydride, poly(ethyloctadecanedioic) anhydride, poly(phenylhexadecanedioic) anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methylhimic anhydride, trialkyltetrahydrophthalic anhydride, Examples of such an anhydride include methylcyclohexene dicarboxylic acid anhydride, methylcyclohexene tetracarboxylic acid anhydride, ethylene glycol bistrimellitate dianhydride, HET anhydride, Nadic anhydride, methylnadic anhydride, 5-(2,5-dioxotetrahydro-3-furanyl)-3-methyl-3-cyclohexane-1,2-dicarboxylic acid anhydride, 3,4-dicarboxy-1,2,3,4-tetrahydro-1-naphthalene succinic acid dianhydride, and 1-methyl-dicarboxy-1,2,3,4-tetrahydro-1-naphthalene succinic acid dianhydride.
酸無水物の変性物としては、例えば、上述した酸無水物をグリコールで変性したもの等が挙げられる。ここで、変性に用いることのできるグリコールの例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ネオペンチルグリコール等のアルキレングリコール類や、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール等のポリエーテルグリコール類等が挙げられる。更には、これらのうちの2種類以上のグリコール及び/又はポリエーテルグリコールの共重合ポリエーテルグリコールを用いることもできる。 Examples of modified acid anhydrides include those obtained by modifying the above-mentioned acid anhydrides with glycols. Examples of glycols that can be used for modification include alkylene glycols such as ethylene glycol, propylene glycol, and neopentyl glycol, and polyether glycols such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, and polytetramethylene ether glycol. Furthermore, copolymer polyether glycols of two or more of these glycols and/or polyether glycols can also be used.
酸無水物の変性物においては、酸無水物1モルに対してグリコール0.4モル以下で変性させることが好ましい。変性量が上記上限値以下であると、エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなり過ぎず、作業性が良好となる傾向にあり、また、エポキシ樹脂との硬化反応の速度も良好となる傾向にある。 When modifying an acid anhydride, it is preferable to modify it with 0.4 moles or less of glycol per mole of acid anhydride. When the modification amount is below the above upper limit, the viscosity of the epoxy resin composition does not become too high, which tends to improve workability and also tends to improve the rate of the curing reaction with the epoxy resin.
以上で挙げた酸無水物系硬化剤は1種のみでも2種以上を任意の組み合わせ及び配合量で組み合わせて用いてもよい。 The above-listed acid anhydride curing agents may be used alone or in any combination of two or more in any amount.
酸無水物系硬化剤を用いる場合、エポキシ樹脂中のエポキシ基に対する硬化剤中の官能基の当量比で0.8~1.5の範囲となるように用いることが好ましい。この範囲内であると未反応のエポキシ基や硬化剤の官能基が残留しにくくなるために好ましい。 When using an acid anhydride curing agent, it is preferable to use it so that the equivalent ratio of functional groups in the curing agent to epoxy groups in the epoxy resin is in the range of 0.8 to 1.5. This range is preferable because it is less likely that unreacted epoxy groups or functional groups from the curing agent will remain.
<アミド系硬化剤>
アミド系硬化剤としてはジシアンジアミド及びその誘導体、ポリアミド樹脂等が挙げられる。
アミド系硬化剤は1種のみで用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で混合して用いてもよい。
アミド系硬化剤を用いる場合、エポキシ樹脂とアミド系硬化剤との合計に対してアミド系硬化剤が0.1~20質量%となるように用いることが好ましい。
<Amide-based curing agent>
Examples of the amide-based curing agent include dicyandiamide and its derivatives, polyamide resins, and the like.
The amide curing agent may be used alone or in any combination and ratio of two or more kinds.
When an amide-based curing agent is used, it is preferable to use the amide-based curing agent in an amount of 0.1 to 20% by mass based on the total amount of the epoxy resin and the amide-based curing agent.
<イミダゾール類>
イミダゾール類としては、2-フェニルイミダゾール、2-エチル-4(5)-メチルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール、1-ベンジル-2-メチルイミダゾール、1-ベンジル-2-フェニルイミダゾール、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾール、1-シアノ-2-フェニルイミダゾール、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1-シアノエチル-2-フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4-ジアミノ-6-[2’-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-[2’-エチル-4’-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-[2’-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジンイソシアヌル酸付加体、2-フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2-フェニル-4,5-ジヒドロキシメチルイミダゾール、2-フェニル-4-メチル-5-ヒドロキシメチルイミダゾール、及びエポキシ樹脂と上記イミダゾール類との付加体等が例示される。なお、イミダゾール類は触媒能を有するため、一般的には硬化促進剤にも分類されうるが、本発明においては硬化剤として分類するものとする。
<Imidazoles>
Examples of imidazoles include 2-phenylimidazole, 2-ethyl-4(5)-methylimidazole, 2-phenyl-4-methylimidazole, 1-benzyl-2-methylimidazole, 1-benzyl-2-phenylimidazole, 1-cyanoethyl-2-undecylimidazole, 1-cyano-2-phenylimidazole, 1-cyanoethyl-2-undecylimidazole trimellitate, 1-cyanoethyl-2-phenylimidazolium trimellitate, 2,4-diamino-6-[2'-methylimidazolyl- Examples of the imidazoles include 2,4-diamino-6-[2'-ethyl-4'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine, 2,4-diamino-6-[2'-ethyl-4'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine, 2,4-diamino-6-[2'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine isocyanuric acid adduct, 2-phenylimidazole isocyanuric acid adduct, 2-phenyl-4,5-dihydroxymethylimidazole, 2-phenyl-4-methyl-5-hydroxymethylimidazole, and adducts of epoxy resins with the above imidazoles. Note that, since imidazoles have catalytic activity, they can generally be classified as curing accelerators, but in the present invention they are classified as curing agents.
以上に挙げたイミダゾール類は1種のみでも、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で混合して用いてもよい。 The above-listed imidazoles may be used alone or in any combination and ratio of two or more.
イミダゾール類を用いる場合、エポキシ樹脂とイミダゾール類との合計に対してイミダゾール類が0.1~20質量%となるように用いることが好ましい。 When using imidazoles, it is preferable to use them in an amount of 0.1 to 20% by mass based on the total amount of epoxy resin and imidazoles.
(硬化促進剤)
本発明に係る熱硬化成分は、硬化促進剤を含んでいてもよい。硬化促進剤を含むことにより、硬化時間の短縮、硬化温度の低温化が可能となる。
硬化促進剤は特に制限されないが、具体例としては、有機ホスフィン類、ホスホニウム塩等のリン系化合物、テトラフェニルボロン塩、有機酸ジヒドラジド、ハロゲン化ホウ素アミン錯体等が挙げられる。
(Curing accelerator)
The thermosetting component according to the present invention may contain a curing accelerator, which can shorten the curing time and lower the curing temperature.
The curing accelerator is not particularly limited, but specific examples include organic phosphines, phosphorus compounds such as phosphonium salts, tetraphenylboron salts, organic acid dihydrazides, boron halide amine complexes, and the like.
硬化促進剤として使用可能なリン系化合物としては、トリフェニルホスフィン、ジフェニル(p-トリル)ホスフィン、トリス(アルキルフェニル)ホスフィン、トリス(アルコキシフェニル)ホスフィン、トリス(アルキル・アルコキシフェニル)ホスフィン、トリス(ジアルキルフェニル)ホスフィン、トリス(トリアルキルフェニル)ホスフィン、トリス(テトラアルキルフェニル)ホスフィン、トリス(ジアルコキシフェニル)ホスフィン、トリス(トリアルコキシフェニル)ホスフィン、トリス(テトラアルコキシフェニル)ホスフィン、トリアルキルホスフィン、ジアルキルアリールホスフィン、アルキルジアリールホスフィン等の有機ホスフィン類又はこれら有機ホスフィン類と有機ボロン類との錯体やこれら有機ホスフィン類と無水マレイン酸、1,4-ベンゾキノン、2,5-トルキノン、1,4-ナフトキノン、2,3-ジメチルベンゾキノン、2,6-ジメチルベンゾキノン、2,3-ジメトキシ-5-メチル-1,4-ベンゾキノン、2,3-ジメトキシ-1,4-ベンゾキノン、フェニル-1,4-ベンゾキノン等のキノン化合物、ジアゾフェニルメタン等の化合物を付加してなる化合物等が例示される。 Phosphorus compounds that can be used as curing accelerators include triphenylphosphine, diphenyl(p-tolyl)phosphine, tris(alkylphenyl)phosphine, tris(alkoxyphenyl)phosphine, tris(alkyl/alkoxyphenyl)phosphine, tris(dialkylphenyl)phosphine, tris(trialkylphenyl)phosphine, tris(tetraalkylphenyl)phosphine, tris(dialkoxyphenyl)phosphine, tris(trialkoxyphenyl)phosphine, tris(tetraalkoxyphenyl)phosphine, trialkylphosphine Examples include organic phosphines such as phosphines, dialkylarylphosphines, and alkyldiarylphosphines; complexes of these organic phosphines with organoborons; and compounds obtained by adding these organic phosphines to quinone compounds such as maleic anhydride, 1,4-benzoquinone, 2,5-toluquinone, 1,4-naphthoquinone, 2,3-dimethylbenzoquinone, 2,6-dimethylbenzoquinone, 2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone, 2,3-dimethoxy-1,4-benzoquinone, and phenyl-1,4-benzoquinone; and compounds such as diazophenylmethane.
以上に挙げた硬化促進剤の中でも有機ホスフィン類、ホスホニウム塩が好ましく、有機ホスフィン類が最も好ましい。
また、硬化促進剤は、上記に挙げたもののうち、1種のみで用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で混合して用いてもよい。
Among the curing accelerators listed above, organic phosphines and phosphonium salts are preferred, and organic phosphines are most preferred.
The curing accelerator may be used alone or in any combination and ratio of two or more of the above-listed accelerators.
硬化促進剤は、エポキシ樹脂100質量部に対して0.1質量部以上20質量部以下の範囲で用いることが好ましい。より好ましくは0.5質量部以上、更に好ましくは1質量部以上であり、一方、より好ましくは15質量部以下、更に好ましくは10質量部以下である。硬化促進剤の含有割合が上記下限値以上であると、良好な硬化促進効果を得ることができ、一方、上記上限値以下であると、所望の硬化物性が得られやすいために好ましい。 The curing accelerator is preferably used in an amount ranging from 0.1 to 20 parts by mass per 100 parts by mass of epoxy resin. It is more preferably 0.5 parts by mass or more, and even more preferably 1 part by mass or more, while it is more preferably 15 parts by mass or less, and even more preferably 10 parts by mass or less. A content of the curing accelerator above the lower limit mentioned above provides a good curing acceleration effect, while a content below the upper limit mentioned above is preferred because it makes it easier to achieve the desired cured physical properties.
(硬化温度)
本発明で用いる熱硬化成分は硬化温度が100~220℃の範囲内にあるものであることが好ましい。
硬化温度が100℃以上のものであれば、有機半導体インク調製時にインク中で熱硬化成分が反応することを防止することができる。光電変換層中に加熱により熱硬化成分を硬化させて架橋構造を形成するに当たっては、硬化温度は高い方が好ましい。一方、硬化温度が220℃以下のものであれば、光電変換層の形成に際して、加熱により熱硬化成分を硬化させて架橋構造を形成するに当たり、過度な高温加熱により、硬化により架橋構造が形成される前にp型有機半導体とn型有機半導体が流動して、相分離構造が変化し、光電変換特性が低下することを防止することができる。
このような観点から、熱硬化成分の硬化温度は120~220℃であることがより好ましく、特に140℃~220℃であることが好ましい。
(Curing temperature)
The thermosetting component used in the present invention preferably has a curing temperature in the range of 100 to 220°C.
If the curing temperature is 100°C or higher, it is possible to prevent the thermosetting component from reacting in the ink during preparation of the organic semiconductor ink. When the thermosetting component is cured by heating to form a crosslinked structure in the photoelectric conversion layer, a higher curing temperature is preferable. On the other hand, if the curing temperature is 220°C or lower, it is possible to prevent the p-type organic semiconductor and n-type organic semiconductor from flowing before the crosslinked structure is formed by curing due to excessively high heating, which changes the phase separation structure and reduces the photoelectric conversion characteristics when the thermosetting component is cured by heating to form a crosslinked structure during formation of the photoelectric conversion layer.
From this viewpoint, the curing temperature of the thermosetting component is more preferably 120 to 220°C, and particularly preferably 140 to 220°C.
熱硬化成分の硬化温度を上記範囲とするには、適正な硬化温度を有するエポキシ樹脂を選択する;適当な硬化剤や硬化促進剤を選択してその配合割合を調整する;といった手法を採用すればよい。 To achieve the curing temperature of the thermosetting component within the above range, techniques such as selecting an epoxy resin with an appropriate curing temperature, selecting appropriate curing agents and curing accelerators, and adjusting their blending ratios can be used.
(熱硬化成分の含有割合)
本発明の有機半導体インク中の熱硬化成分の含有割合は、非架橋性p型有機半導体及び非架橋性n型有機半導体の合計100質量部に対して1~100質量部が好ましく、1~40質量部がより好ましく、特に1~10質量部であることが好ましい。また、熱硬化成分としてエポキシ樹脂を用いる場合、本発明の有機半導体インク中のエポキシ樹脂の含有割合は、非架橋性p型有機半導体及び非架橋性n型有機半導体の合計100質量部に対して1~100質量部が好ましく、1~40質量部がより好ましく、特に1~10質量部であることが好ましい。
(Thermosetting component content)
The content of the thermosetting component in the organic semiconductor ink of the present invention is preferably 1 to 100 parts by mass, more preferably 1 to 40 parts by mass, and particularly preferably 1 to 10 parts by mass, per 100 parts by mass of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor and the non-crosslinkable n-type organic semiconductor combined. Furthermore, when an epoxy resin is used as the thermosetting component, the content of the epoxy resin in the organic semiconductor ink of the present invention is preferably 1 to 100 parts by mass, more preferably 1 to 40 parts by mass, and particularly preferably 1 to 10 parts by mass, per 100 parts by mass of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor and the non-crosslinkable n-type organic semiconductor combined.
有機半導体インク中の熱硬化成分及びエポキシ樹脂の含有割合が上記下限以上であれば、光電変換層内に耐熱性向上に有効な架橋構造を十分な割合で形成することができる。有機半導体インク中の熱硬化成分の含有割合が上記上限以下であれば、非架橋性p型有機半導体及び非架橋性n型有機半導体の含有量を確保して、光電変換効率に優れた光電変換層を形成することができる。 If the content ratio of the thermosetting component and epoxy resin in the organic semiconductor ink is above the above-mentioned lower limit, a sufficient amount of crosslinked structure effective in improving heat resistance can be formed in the photoelectric conversion layer. If the content ratio of the thermosetting component in the organic semiconductor ink is below the above-mentioned upper limit, the content of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor and non-crosslinkable n-type organic semiconductor can be ensured, allowing the formation of a photoelectric conversion layer with excellent photoelectric conversion efficiency.
<非架橋性p型有機半導体>
非架橋性p型有機半導体は、特に限定されず公知の化合物が用いられ得るが、好ましくはドナー性の半導体であり、典型的には有機半導体(化合物)である。例えばp型共役高分子である正孔輸送性有機化合物が挙げられ、電子を供与しやすい性質がある化合物を用いることができる。
正孔輸送性に優れる骨格としては、具体的には、カルバゾール構造、チオフェン構造、ベンゾジチオフェン構造、チエノチオフェン構造、ジベンゾフラン構造、トリアリールアミン構造、ナフタレン構造、フェナントレン構造又はピレン構造が挙げられる。
このうち、特に後述の非架橋性n型有機半導体と混合して塗布により膜を形成できるものであることが好ましい。
<Non-crosslinkable p-type organic semiconductor>
The non-crosslinkable p-type organic semiconductor is not particularly limited and may be any known compound, but is preferably a donor semiconductor, typically an organic semiconductor (compound). For example, a hole-transporting organic compound that is a p-type conjugated polymer may be mentioned, and a compound that has a tendency to easily donate electrons may be used.
Specific examples of skeletons having excellent hole transport properties include a carbazole structure, a thiophene structure, a benzodithiophene structure, a thienothiophene structure, a dibenzofuran structure, a triarylamine structure, a naphthalene structure, a phenanthrene structure, and a pyrene structure.
Among these, it is particularly preferable to use a material that can be mixed with a non-crosslinkable n-type organic semiconductor described below to form a film by coating.
具体的なものとしては、例えば下記式(II)で表されるものが用いられる。なお、式(II)中、nは正の数である。 Specific examples include those represented by the following formula (II). In formula (II), n is a positive number.
本発明で用いる非架橋性p型有機半導体は、p型半導体としての特性を向上させるためには、重量平均分子量が100000以上であることが好ましく、150000以上であることがさらに好ましい。また上限は溶媒への溶解性の面から、400000以下が好ましく、300000以下がさらに好ましい。
ここで、非架橋性p型有機半導体の重量平均分子量はサイズ排除クロマトグラフィーにより求めた値である。
In order to improve the properties of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor used in the present invention as a p-type semiconductor, the weight-average molecular weight is preferably 100,000 or more, more preferably 150,000 or more. From the viewpoint of solubility in solvents, the upper limit is preferably 400,000 or less, more preferably 300,000 or less.
Here, the weight average molecular weight of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor is a value determined by size exclusion chromatography.
<非架橋性n型有機半導体>
n型半導体は、アクセプター性半導体であり、主に電子輸送性化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある化合物をいう。さらに詳しくは2つの化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の化合物をいう。したがって、アクセプター性化合物は、電子受容性のある化合物であればいずれの化合物も使用可能である。
例えば、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する5ないし7員のヘテロ環化合物(例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等)、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。
これに限らず、上記したように、ドナー性半導体として用いた化合物よりも電子親和力の大きな化合物であればアクセプター性半導体として用いてよい。
<Non-crosslinkable n-type organic semiconductor>
An n-type semiconductor is an acceptor semiconductor, and is mainly represented by an electron transport compound, which refers to a compound that has the property of readily accepting electrons. More specifically, when two compounds are used in contact with each other, the n-type semiconductor refers to the compound with the larger electron affinity. Therefore, any compound with electron-accepting properties can be used as the acceptor compound.
For example, fused aromatic carbocyclic compounds (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, fluoranthene derivatives), 5- to 7-membered heterocyclic compounds containing a nitrogen atom, an oxygen atom, or a sulfur atom (e.g., pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, triazine, quinoline, quinoxaline, quinazoline, phthalazine, cinnoline, isoquinoline, pteridine, acridine, phenazine, phenanthroline, tetrazole, pyrazole, imidazole, thiazoline, Examples of suitable metal complexes include those having, as a ligand, a tetraazoindazole, oxazole, indazole, benzimidazole, benzotriazole, benzoxazole, benzothiazole, carbazole, purine, triazolopyridazine, triazolopyrimidine, tetrazaindene, oxadiazole, imidazopyridine, pyrazine, pyrrolopyridine, thiadiazolopyridine, dibenzazepine, tribenzazepine, etc.), a polyarylene compound, a fluorene compound, a cyclopentadiene compound, a silyl compound, or a nitrogen-containing heterocyclic compound.
However, as described above, any compound having a larger electron affinity than the compound used as the donor semiconductor may be used as the acceptor semiconductor.
n型半導体としてフラーレン骨格を有するものを用いると、光電変換効率を高めるために、バルクヘテロ接合構造としても、嵩高いフラーレン骨格の存在でn型半導体とp型半導体との距離が離れてしまい、光電変換効率が低下してしまう。 When a fullerene skeleton is used as an n-type semiconductor, even if a bulk heterojunction structure is used to increase photoelectric conversion efficiency, the presence of the bulky fullerene skeleton increases the distance between the n-type and p-type semiconductors, resulting in a decrease in photoelectric conversion efficiency.
従って、本発明における非架橋性p型有機半導体は、フラーレン骨格を有するn型半導体の割合がフラーレン骨格を有さないn型半導体に対して10質量%以下であることが好ましく、n型半導体中にフラーレン骨格を有するものが実質的に含まれていないフラーレン骨格非含有半導体であることがより好ましい。
ここで、「フラーレン骨格を実質的に含まない」とは、光電変換層において発生した電荷の内、電子の輸送を非フラーレン型のn型半導体が担うという意味であり、光電変換層のモルフォロジーの改善のために少量含有することはあり得る。そのような目的においては、通常フラーレン骨格を含むn型半導体は、フラーレン骨格を有さない非フラーレン型のn型半導体に対して5質量%以下で含有されており、好ましくはこの割合は2質量%以下である。
Therefore, in the non-crosslinkable p-type organic semiconductor of the present invention, the ratio of the n-type semiconductor having a fullerene skeleton to the n-type semiconductor not having a fullerene skeleton is preferably 10 mass % or less, and it is more preferable that the n-type semiconductor is a fullerene skeleton-free semiconductor in which substantially no n-type semiconductor having a fullerene skeleton is contained.
Here, "substantially free of a fullerene skeleton" means that the non-fullerene n-type semiconductor is responsible for transporting electrons among the charges generated in the photoelectric conversion layer, and a small amount may be contained to improve the morphology of the photoelectric conversion layer. For such a purpose, the n-type semiconductor containing a fullerene skeleton is usually contained in an amount of 5 mass % or less relative to the non-fullerene n-type semiconductor not having a fullerene skeleton, and this proportion is preferably 2 mass % or less.
本発明で用いる非架橋性n型有機半導体は、特に非架橋性p型有機半導体との相溶性および(BHJ)型光電変換層形成能の観点から、下記式(I)で表される化合物及び/又は下記式(I)で表される化合物の2以上の多量体を含むことが好ましい。 The non-crosslinkable n-type organic semiconductor used in the present invention preferably contains a compound represented by the following formula (I) and/or a polymer of two or more compounds represented by the following formula (I), particularly from the viewpoints of compatibility with the non-crosslinkable p-type organic semiconductor and the ability to form a (BHJ)-type photoelectric conversion layer.
(上記式(I)中、Aは周期表第14族から選ばれる原子を表し、X1~X4は、それぞれ独立して、水素原子又はハロゲン原子を表す。R1a,R1bは、それぞれ独立して、直鎖又は分岐のアルキル基を表し、R2~R5は、それぞれ独立して、直鎖又は分岐のアルキル基、直鎖又は分岐のアルコキシ基、直鎖又は分岐のチオアルキル基、或いは水素原子を表す。) (In the above formula (I), A represents an atom selected from Group 14 of the periodic table; X 1 to X 4 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom; R 1a and R 1b each independently represent a linear or branched alkyl group; and R 2 to R 5 each independently represent a linear or branched alkyl group, a linear or branched alkoxy group, a linear or branched thioalkyl group, or a hydrogen atom.)
上記式(I)中、Aは好ましくは炭素原子又はケイ素原子である。
X1~X4は、それぞれ独立して、水素原子又はハロゲン原子であり、ハロゲン原子としてはフッ素原子又は塩素原子が好ましい。
R1a,R1bは、それぞれ独立して、直鎖又は分岐のアルキル基であり、該アルキル基の炭素数は8~24、特に10~20、とりわけ12~18であることが好ましい。
In the above formula (I), A is preferably a carbon atom or a silicon atom.
X 1 to X 4 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, and the halogen atom is preferably a fluorine atom or a chlorine atom.
R 1a and R 1b each independently represent a linear or branched alkyl group, and the alkyl group preferably has 8 to 24 carbon atoms, particularly 10 to 20 carbon atoms, and especially 12 to 18 carbon atoms.
炭素数8~24の直鎖又は分岐のアルキル基としては、n-オクチル基、n-デシル基、ラウリル基、ミリスチル基、パルミチル基、ステアリル基等の直鎖アルキル基;2-エチルヘキシル基、2-ブチルオクチル基等の分岐を有する1級アルキル基;2-オクチル基、2-ノニル基、2-デシル基等の2級アルキル基;等が挙げられる。これらのうち、直鎖アルキル基又は分岐を有する1級アルキル基が好ましく、とりわけ2-エチルヘキシル基又は2-ブチルオクチル基であることが好ましい。 Examples of linear or branched alkyl groups having 8 to 24 carbon atoms include linear alkyl groups such as n-octyl, n-decyl, lauryl, myristyl, palmityl, and stearyl; branched primary alkyl groups such as 2-ethylhexyl and 2-butyloctyl; and secondary alkyl groups such as 2-octyl, 2-nonyl, and 2-decyl. Of these, linear or branched primary alkyl groups are preferred, with 2-ethylhexyl or 2-butyloctyl being particularly preferred.
R2~R5は、それぞれ独立して、直鎖又は分岐のアルキル基、直鎖又は分岐のアルコキシ基、直鎖又は分岐のチオアルキル基、或いは水素原子であり、該アルキル基、アルコキシ基、チオアルキル基の炭素数は8~24、特に10~20、とりわけ12~18であることが好ましい。
R2~R5としては、それぞれ独立して、炭素数8~24のアルコキシ基であることが好ましく、具体的には2-エチルヘキシルオキシ基又はパルミチルオキシ基が挙げられる。
R 2 to R 5 are each independently a linear or branched alkyl group, a linear or branched alkoxy group, a linear or branched thioalkyl group, or a hydrogen atom, and the alkyl group, alkoxy group, or thioalkyl group preferably has 8 to 24 carbon atoms, particularly 10 to 20 carbon atoms, and especially 12 to 18 carbon atoms.
R 2 to R 5 are preferably each independently an alkoxy group having 8 to 24 carbon atoms, and specific examples thereof include a 2-ethylhexyloxy group and a palmityloxy group.
非架橋性p型有機半導体との相溶性およびBHJ型光電変換層形成能の観点からR1aとR1bは同じ基であることが好ましく、R2~R5は2種類以上の異なる基で構成されることが好ましい。 From the viewpoint of compatibility with the non-crosslinkable p-type organic semiconductor and ability to form a BHJ type photoelectric conversion layer, it is preferable that R 1a and R 1b are the same group, and it is preferable that R 2 to R 5 are composed of two or more different groups.
<非架橋性p型有機半導体及び非架橋性n型有機半導体の含有割合>
本発明の有機半導体インクに含まれる非架橋性p型有機半導体と非架橋性n型有機半導体の割合は、非架橋性p型有機半導体に対する非架橋性n型有機半導体の質量比率(n型有機半導体/p型有機半導体質量比)で0.5~2.5倍、特に1.0~2.0倍であることが好ましい。上記範囲よりも非架橋性n型有機半導体が多く非架橋性p型有機半導体が少ないと、近赤外領域における感度が低下する傾向がある。逆に上記範囲よりも非架橋性p型有機半導体が多く非架橋性n型有機半導体が少ないと、暗電流が発生し易い傾向にある。
<Contents of non-crosslinkable p-type organic semiconductor and non-crosslinkable n-type organic semiconductor>
The ratio of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor to the non-crosslinkable n-type organic semiconductor contained in the organic semiconductor ink of the present invention is preferably 0.5 to 2.5 times, particularly 1.0 to 2.0 times, in terms of the mass ratio of the non-crosslinkable n-type organic semiconductor to the non-crosslinkable p-type organic semiconductor (n-type organic semiconductor/p-type organic semiconductor mass ratio). If the amount of non-crosslinkable n-type organic semiconductor is higher than the above range and the amount of non-crosslinkable p-type organic semiconductor is lower than the above range, sensitivity in the near-infrared region tends to decrease. Conversely, if the amount of non-crosslinkable p-type organic semiconductor is higher than the above range and the amount of non-crosslinkable n-type organic semiconductor is lower than the above range, dark current tends to be more likely to occur.
<溶媒>
本発明の有機半導体インクに含まれる溶媒は、非架橋性p型有機半導体、非架橋性n型有機半導体及び熱硬化成分を溶解し得るものであればよく、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、シクロヘキシルベンゼン等の芳香族炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン等の芳香族系含ハロゲン溶媒などの芳香族系溶媒;1,2-ジクロロエタン等の脂肪族含ハロゲン溶媒;エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテルアセタート(PGMEA)等の脂肪族エーテル、1,2-ジメトキシベンゼン、1,3-ジメトキシベンゼン、アニソール、フェネトール、2-メトキシトルエン、3-メトキシトルエン、4-メトキシトルエン、2,3-ジメチルアニソール、2,4-ジメチルアニソール等の芳香族エーテル等のエーテル系溶媒;酢酸エチル、酢酸n-ブチル、乳酸エチル、乳酸n-ブチル等の脂肪族エステル系溶媒;酢酸フェニル、プロピオン酸フェニル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸イソプロピル、安息香酸プロピル、安息香酸n-ブチル等の芳香族エステル等のエステル系溶媒;などが挙げられる。
これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
<Solvent>
The solvent contained in the organic semiconductor ink of the present invention may be any solvent capable of dissolving the non-crosslinkable p-type organic semiconductor, the non-crosslinkable n-type organic semiconductor, and the thermosetting component, and examples thereof include aromatic hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, mesitylene, and cyclohexylbenzene, and aromatic halogen-containing solvents such as chlorobenzene and o-dichlorobenzene; aliphatic halogen-containing solvents such as 1,2-dichloroethane; and aliphatic ethers such as ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, and propylene glycol-1-monomethyl ether acetate (PGMEA). ether-based solvents such as aromatic ethers such as phenyl acetate, 1,2-dimethoxybenzene, 1,3-dimethoxybenzene, anisole, phenetole, 2-methoxytoluene, 3-methoxytoluene, 4-methoxytoluene, 2,3-dimethylanisole, and 2,4-dimethylanisole; aliphatic ester-based solvents such as ethyl acetate, n-butyl acetate, ethyl lactate, and n-butyl lactate; and ester-based solvents such as aromatic esters such as phenyl acetate, phenyl propionate, methyl benzoate, ethyl benzoate, isopropyl benzoate, propyl benzoate, and n-butyl benzoate.
These may be used alone or in combination of two or more.
これらの溶媒のうち、非架橋型p型有機半導体および非架橋型p型有機半導体の溶解性の観点から芳香族系溶媒が好ましく、特に芳香族系含ハロゲン溶媒が好ましい。 Of these solvents, aromatic solvents are preferred from the viewpoint of the solubility of non-crosslinked p-type organic semiconductors and non-crosslinked p-type organic semiconductors, and aromatic halogen-containing solvents are particularly preferred.
<その他の成分>
本発明の有機半導体インクには、前述の熱硬化成分、非架橋性p型有機半導体、非架橋性n型有機半導体及び溶媒の他、必要に応じて安定剤、増粘剤等が含まれていてもよい。
ただし、本発明の有機半導体インクがこれらのその他の成分を含む場合、有機半導体インク本来の効果を十分に得る上で、有機半導体インク中のその他の成分の含有量は、熱硬化成分、非架橋性p型有機半導体、非架橋性n型有機半導体及びその他の成分の合計に対して10質量%以下であることが好ましい。
<Other ingredients>
The organic semiconductor ink of the present invention may contain, in addition to the above-mentioned thermosetting component, non-crosslinkable p-type organic semiconductor, non-crosslinkable n-type organic semiconductor and solvent, a stabilizer, a thickener, etc., as necessary.
However, when the organic semiconductor ink of the present invention contains these other components, in order to fully obtain the inherent effects of the organic semiconductor ink, it is preferable that the content of the other components in the organic semiconductor ink is 10 mass % or less relative to the total of the thermosetting component, non-crosslinkable p-type organic semiconductor, non-crosslinkable n-type organic semiconductor, and other components.
<固形分濃度>
本発明の有機半導体インクの固形分濃度、即ち、有機半導体インク中の溶媒を除く熱硬化成分、非架橋性p型有機半導体、非架橋性n型有機半導体及び必要に応じて含まれるその他の成分の合計の含有量は、10~30mg/mLであることが好ましく、12~24mg/mLであることがより好ましい。
有機半導体インクの固形分濃度が上記下限以上であれば光電変換層の形成効率に優れ、一方上記上限以下であれば有機半導体インクを容易に調製することができ、また、その取り扱い性に優れる。
<Solid content concentration>
The solids concentration of the organic semiconductor ink of the present invention, i.e., the total content of the thermosetting component, non-crosslinkable p-type organic semiconductor, non-crosslinkable n-type organic semiconductor, and other components contained as necessary, excluding the solvent in the organic semiconductor ink, is preferably 10 to 30 mg/mL, and more preferably 12 to 24 mg/mL.
If the solids concentration of the organic semiconductor ink is equal to or higher than the lower limit, the efficiency of forming the photoelectric conversion layer is excellent, while if it is equal to or lower than the upper limit, the organic semiconductor ink can be easily prepared and is easy to handle.
<有機半導体インクの製造方法>
本発明の有機半導体インクは、溶媒に上記の熱硬化成分、非架橋性p型有機半導体、非架橋性n型有機半導体及び必要に応じて含まれるその他の成分を所定の濃度となるように添加混合することで製造することができる。
その際の各成分の添加順には特に制限はない。
<Method of manufacturing organic semiconductor ink>
The organic semiconductor ink of the present invention can be produced by adding and mixing the above-mentioned thermosetting component, non-crosslinkable p-type organic semiconductor, non-crosslinkable n-type organic semiconductor, and other components, if necessary, to a solvent so as to achieve a predetermined concentration.
In this case, there is no particular restriction on the order in which the components are added.
<有機半導体インクの用途>
本発明の有機半導体インクは、熱硬化成分を含有することにより耐熱性に優れた光電変換層を形成することができ、有機光電変換素子の光電変換層の形成に有効に用いることができる。
<Applications of organic semiconductor ink>
The organic semiconductor ink of the present invention contains a thermosetting component, and thus can form a photoelectric conversion layer with excellent heat resistance, and can be effectively used to form a photoelectric conversion layer of an organic photoelectric conversion element.
[光電変換層]
本発明の光電変換層は、本発明の有機半導体インクの塗膜を加熱硬化させてなるものである。
[Photoelectric conversion layer]
The photoelectric conversion layer of the present invention is formed by heat-curing a coating of the organic semiconductor ink of the present invention.
本発明の光電変換層は、光電変換層を形成する面(通常は、後述の本発明の有機光電変換素子の電極面上、或いは電極上に形成された正孔輸送層等の他の層上)に、本発明の有機半導体インクを湿式成膜法により成膜し、形成された塗膜を加熱硬化させることにより製造することができる。 The photoelectric conversion layer of the present invention can be produced by forming a film of the organic semiconductor ink of the present invention by a wet film formation method on a surface on which the photoelectric conversion layer will be formed (usually on the electrode surface of the organic photoelectric conversion element of the present invention described below, or on another layer such as a hole transport layer formed on the electrode), and then heat-curing the formed coating.
湿式成膜法としては特に制限はないが、具体的にはスピンコート法などが挙げられる。この場合、スピンコートの条件は、有機半導体インクの粘度等を考慮して、定法に従い適宜決定すればよい。成膜時の温度も特に限定されないが、熱硬化成分の硬化が進行しない温度であり、通常100℃以下、例えば20~80℃程度である。 While there are no particular limitations on the wet film-forming method, examples include spin coating. In this case, the spin-coating conditions can be determined appropriately according to standard methods, taking into account factors such as the viscosity of the organic semiconductor ink. The temperature during film formation is also not particularly limited, but should be a temperature at which the thermosetting component does not harden, and is usually below 100°C, for example, around 20 to 80°C.
成膜された塗膜の加熱硬化の際の加熱条件としては、熱硬化成分が硬化して架橋構造を形成し得る温度であり、熱硬化成分の種類によっても異なるが、前述の好適な硬化温度条件、即ち、100~220℃が好ましく、120~220℃がより好ましく、特に140~220℃とすることが好ましい。
加熱時間についても、熱硬化成分が硬化して架橋構造を形成し得る時間であればよく、熱硬化成分の種類、加熱温度によっても異なるが、通常1~60分程度である。
The heating conditions for heat-curing the formed coating film are those at which the thermosetting component can be cured to form a crosslinked structure, and although these vary depending on the type of thermosetting component, the aforementioned preferred curing temperature conditions, i.e., 100 to 220°C, more preferably 120 to 220°C, and particularly preferably 140 to 220°C, are preferred.
The heating time may be any time long enough to cure the thermosetting component and form a crosslinked structure, and varies depending on the type of thermosetting component and the heating temperature, but is usually about 1 to 60 minutes.
このようにして形成される本発明の光電変換層の膜厚は、光電変換層の構成や有機光電変換素子の用途に応じて任意に設計することができるが、薄過ぎると光吸収が不十分で効率が低下し、厚過ぎると内部抵抗が増大して損失が大きくなることから、通常10nm~1μm程度とされる。 The film thickness of the photoelectric conversion layer of the present invention formed in this manner can be designed as desired depending on the configuration of the photoelectric conversion layer and the application of the organic photoelectric conversion element. However, if it is too thin, light absorption will be insufficient and efficiency will decrease, and if it is too thick, internal resistance will increase and loss will become significant; therefore, it is usually set to about 10 nm to 1 μm.
[有機光電変換素子]
本発明の有機光電変換素子は、上述の本発明の光電変換層を有するものである。
[Organic photoelectric conversion element]
The organic photoelectric conversion element of the present invention has the above-described photoelectric conversion layer of the present invention.
本発明の有機光電変換素子の構造は、例えば特開2007-324587号公報の記載などを参照することができ、特段限定されず、例えば、透明基板上に、透明電極、電子輸送層、光電変換層、正孔輸送層、及び金属電極の順に積層された構造であってよく、透明基板上に、透明電極、正孔輸送層、光電変換層、電子輸送層、及び金属電極の順に積層された構造であってもよい。 The structure of the organic photoelectric conversion element of the present invention can be determined, for example, from the description in JP 2007-324587 A, and is not particularly limited. For example, the organic photoelectric conversion element may have a structure in which a transparent electrode, an electron transport layer, a photoelectric conversion layer, a hole transport layer, and a metal electrode are stacked in this order on a transparent substrate, or a structure in which a transparent electrode, a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, an electron transport layer, and a metal electrode are stacked in this order on a transparent substrate.
図1は、本発明の有機光電変換素子の一例を示す模式的断面図である。この有機光電変換素子10は、第1電極11、正孔輸送層12、光電変換層13、電子輸送層14、及び下部電極としての第2電極15がこの順で積層されている。正孔輸送層12、光電変換層13及び電子輸送層14で有機光電膜20を形成する。通常、第1電極11の正孔輸送層12とは反対側には基板が設けられる。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an organic photoelectric conversion element of the present invention. This organic photoelectric conversion element 10 has a first electrode 11, a hole transport layer 12, a photoelectric conversion layer 13, an electron transport layer 14, and a second electrode 15 as a lower electrode stacked in this order. The hole transport layer 12, the photoelectric conversion layer 13, and the electron transport layer 14 form an organic photoelectric film 20. Typically, a substrate is provided on the side of the first electrode 11 opposite the hole transport layer 12.
<基板>
有機光電変換素子は、第1電極、正孔輸送層、光電変換層、電子輸送層及び第2電極等を支持するために、基板を備えていてもよい。基板は、第1電極側、第2電極側のいずれに設けられていてもよく、両側に設けられてもよいが、少なくとも、第1電極側に設けられていることが好ましい。
基板は、任意の材料により形成することが可能であるが、光を基板側から入射する場合は、透明性の高い材料で形成する必要がある。
<Substrate>
The organic photoelectric conversion element may include a substrate for supporting the first electrode, the hole transport layer, the photoelectric conversion layer, the electron transport layer, the second electrode, etc. The substrate may be provided on either the first electrode side or the second electrode side, or on both sides, but is preferably provided at least on the first electrode side.
The substrate can be made of any material, but if light is incident from the substrate side, it must be made of a highly transparent material.
基板の構成材料の例を挙げると、ガラス、サファイア、チタニア等の無機材料;ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ナイロン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール共重合体、フッ素樹脂、塩化ビニル、ポリエチレン、セルロース、ポリ塩化ビニリデン、アラミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリノルボルネン等の有機材料;紙、合成紙等の紙材料;ステンレス、チタン、アルミニウム等の金属に、絶縁性を付与するために表面をコート或いはラミネートしたもの等の複合材料;などが挙げられる。なお、基板の構成材料は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Examples of substrate materials include inorganic materials such as glass, sapphire, and titania; organic materials such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyethersulfone, polyimide, nylon, polystyrene, polyvinyl alcohol, ethylene-vinyl alcohol copolymer, fluororesin, vinyl chloride, polyethylene, cellulose, polyvinylidene chloride, aramid, polyphenylene sulfide, polyurethane, polycarbonate, polyarylate, and polynorbornene; paper materials such as paper and synthetic paper; and composite materials such as metals such as stainless steel, titanium, and aluminum whose surfaces are coated or laminated to provide insulation. The substrate materials may be used alone, or two or more may be used in any combination and ratio.
また、基板の形状及び寸法に制限はなく、任意に設定することができる。
さらに、基板には、ガスバリア性の付与や表面状態の制御のために、別の層を積層してもよい。
Furthermore, there is no limitation on the shape and dimensions of the substrate, and they can be set arbitrarily.
Furthermore, another layer may be laminated on the substrate in order to impart gas barrier properties or control the surface condition.
基板の厚さは、有機光電変換素子の用途、構成材料等に応じて任意に設計可能であるが、過度に薄いと、強度が不足して支持部材としての機能を果たし得ず、過度に厚いとコストアップとなるので、通常10μm~50mm程度のフィルム状、ないし板状とされる。 The thickness of the substrate can be freely designed depending on the application and constituent materials of the organic photovoltaic conversion element, but if it is too thin, it will not have enough strength and will not function as a support member, and if it is too thick, costs will increase, so it is usually made into a film or plate shape of about 10 μm to 50 mm.
<電極>
電極(第1電極、第2電極)は、導電性を有する任意の材料により形成することが可能である。
<Electrode>
The electrodes (first electrode, second electrode) can be made of any material that is electrically conductive.
電極の構成材料の例を挙げると、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属あるいはそれらの合金;酸化インジウムや酸化錫等の金属酸化物、あるいはその複合酸化物(例えばITO、IZO);ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン等の導電性高分子;前記導電性高分子に、塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、FeCl3等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウム、カリウム等の金属原子などのドーパントを添加したもの;金属粒子、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ等の導電性粒子をポリマーバインダー等のマトリクスに分散した導電性の複合材料などが挙げられる。なお、電極の構成材料は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Examples of materials for the electrodes include metals such as platinum, gold, silver, aluminum, chromium, nickel, copper, titanium, magnesium, calcium, barium, and sodium, or alloys thereof; metal oxides such as indium oxide and tin oxide, or composite oxides thereof (e.g., ITO and IZO); conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyacetylene; conductive polymers to which dopants such as acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, and sulfonic acid, Lewis acids such as FeCl3 , halogen atoms such as iodine, and metal atoms such as sodium and potassium have been added; and conductive composite materials in which conductive particles such as metal particles, carbon black, fullerenes, and carbon nanotubes are dispersed in a matrix such as a polymer binder. Note that the electrode materials may be used singly or in any combination and ratio of two or more.
有機光電変換素子において、電極は少なくとも一対(2個)設けられ、この一対の電極の間に光電変換層が設けられる。この際、一対の電極のうち、少なくとも一方は透明(即ち、発電のために光電変換層が吸収する光を透過させる)ことが好ましい。透明な電極の材料を挙げると、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)等の複合酸化物;金属薄膜などが挙げられる。また、この際、光の透過率の具体的範囲に制限は無いが、有機光電変換素子の光電変換効率を考慮すると、80%以上が好ましい。なお、光の透過率は、通常の分光光度計で測定可能できる。 In an organic photoelectric conversion element, at least one pair (two electrodes) of electrodes is provided, with a photoelectric conversion layer disposed between the pair of electrodes. Preferably, at least one of the pair of electrodes is transparent (i.e., it transmits light absorbed by the photoelectric conversion layer for power generation). Examples of transparent electrode materials include composite oxides such as indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide (IZO); thin metal films, etc. There are no specific restrictions on the range of light transmittance, but considering the photoelectric conversion efficiency of the organic photoelectric conversion element, a value of 80% or higher is preferred. Light transmittance can be measured using a standard spectrophotometer.
電極は、光電変換層内に生じた正孔及び電子を捕集する機能を有するものである。従って、電極の構成材料としては、上述した材料のうち、正孔及び電子を捕集するのに適した構成材料を用いることが好ましい。正孔の捕集に適した電極の材料を挙げると、例えば、Au、ITO等の高い仕事関数を有する材料が挙げられる。一方、電子の捕集に適した電極の材料を挙げると、例えば、Alのような低い仕事関数を有する材料が挙げられる。 The electrode has the function of collecting holes and electrons generated in the photoelectric conversion layer. Therefore, it is preferable to use, as the electrode's constituent material, a constituent material suitable for collecting holes and electrons from among the materials listed above. Examples of electrode materials suitable for collecting holes include materials with a high work function, such as Au and ITO. On the other hand, examples of electrode materials suitable for collecting electrons include materials with a low work function, such as Al.
電極の厚さには特に制限はなく、用いた材料と、必要とされる導電性、透明性等を考慮して適宜決定されるが、通常10nm~100μm程度である。 There are no particular restrictions on the thickness of the electrodes; it is determined appropriately taking into account the material used and the required conductivity, transparency, etc., but it is usually around 10 nm to 100 μm.
なお、電極の形成方法に制限はないが、例えば、真空蒸着、スパッタ等のドライプロセスにより形成することができる。また、例えば、導電性インク等を用いたウェットプロセスにより形成することもできる。この際、導電性インクとしては任意のものを使用することができ、例えば、導電性高分子、金属粒子分散液等を用いることができる。さらに、電極は2層以上積層してもよく、特性(電気特性やぬれ特性等)改良のための表面処理を施してもよい。 The electrodes can be formed by any method, including dry processes such as vacuum deposition and sputtering. They can also be formed by wet processes using conductive ink. Any conductive ink can be used, including conductive polymers and metal particle dispersions. The electrodes can also be stacked in two or more layers, and can be surface-treated to improve their properties (electrical properties, wetting properties, etc.).
<正孔輸送層>
正孔輸送層には、公知の正孔輸送物質を用いることができる。具体的なものとしては、例えば以下に例示されるポリトリアリールアミン化合物等の正孔輸送性高分子が用いられる。その他、例えば、特開2019-173032号公報に記載の2,7-ビス(4-ブロモフェニル)-9,9-ジヘキシルフルオレン、2-アミノ-9,9-ジヘキシルフルオレン、4-(4-(1,1-ビス(4'-ブロモ-[1,1'-ビフェニル]-4-イル)エチル)フェニル)-1,2-ジヒドロシクロブタ[a]ナフタレンから合成したポリトリルアリールアミン化合物、4,4’-ジブロモビフェニル、2-アミノ-9,9-ジヘキシルフルオレン、3-(1,2-ジヒドロキシシクロブタ[a]ナフタレン-4-イル)アニリンから合成したポリトリアリールアミン化合物、4,4’-ジブロモビフェニル、4-(3,5-ジブロモフェニル)-1,2-ジヒドロシクロブタ[a]ナフタレン、2-アミノ-9,9-ジヘキシルフルオレンから合成したポリトリアリールアミン化合物などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。
<Hole transport layer>
Known hole transport materials can be used for the hole transport layer. Specific examples of hole transport polymers that can be used include polytriarylamine compounds such as those exemplified below. Other examples include 2,7-bis(4-bromophenyl)-9,9-dihexylfluorene, 2-amino-9,9-dihexylfluorene, and polytolylarylamine compounds synthesized from 4-(4-(1,1-bis(4'-bromo-[1,1'-biphenyl]-4-yl)ethyl)phenyl)-1,2-dihydrocyclobuta[a]naphthalene, as described in JP-A-2019-173032, 4,4'-dibromobiphenyl, and 2-amino-9 ,9-dihexylfluorene, polytriarylamine compounds synthesized from 3-(1,2-dihydroxycyclobuta[a]naphthalen-4-yl)aniline, 4,4'-dibromobiphenyl, 4-(3,5-dibromophenyl)-1,2-dihydrocyclobuta[a]naphthalene, and 2-amino-9,9-dihexylfluorene, and the like can be used, but are not limited to these.
正孔輸送層の製膜方法も特に限定されないが、好ましくは正孔輸送性高分子を用い、湿式成膜法により形成される。
湿式成膜法による正孔輸送層の形成には、正孔輸送性高分子と溶剤とを含む正孔輸送層形成用組成物が用いられる。
The method for forming the hole transport layer is not particularly limited, but it is preferably formed by a wet film formation method using a hole transporting polymer.
To form the hole transport layer by the wet film formation method, a composition for forming the hole transport layer containing a hole transporting polymer and a solvent is used.
該溶剤は、正孔輸送性高分子を溶解すればよく、通常正孔輸送性高分子を常温で0.05質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、さらに好ましくは1質量%以上溶解する溶剤である。溶剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、芳香族炭化水素系溶剤、アミド系溶剤などが好ましい。 The solvent is sufficient as long as it dissolves the hole-transporting polymer, and typically dissolves at room temperature 0.05% by mass or more of the hole-transporting polymer, preferably 0.5% by mass or more, and more preferably 1% by mass or more. There are no particular limitations on the solvent, but preferred examples include ether-based solvents, ester-based solvents, aromatic hydrocarbon-based solvents, and amide-based solvents.
エーテル系溶剤としては、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテルアセタート(PGMEA)等の脂肪族エーテル、及び1,2-ジメトキシベンゼン、1,3-ジメトキシベンゼン、アニソール、フェネトール、2-メトキシトルエン、3-メトキシトルエン、4-メトキシトルエン、2,3-ジメチルアニソール、2,4-ジメチルアニソール等の芳香族エーテル等が挙げられる。 Examples of ether-based solvents include aliphatic ethers such as ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, and propylene glycol-1-monomethyl ether acetate (PGMEA), and aromatic ethers such as 1,2-dimethoxybenzene, 1,3-dimethoxybenzene, anisole, phenetole, 2-methoxytoluene, 3-methoxytoluene, 4-methoxytoluene, 2,3-dimethylanisole, and 2,4-dimethylanisole.
エステル系溶剤としては、例えば、酢酸フェニル、プロピオン酸フェニル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、安息香酸n-ブチル等の芳香族エステル等が挙げられる。
芳香族炭化水素系溶剤としては、例えば、トルエン、キシレン、シクロヘキシルベンゼン、3-イソプロピルビフェニル、1,2,3,4-テトラメチルベンゼン、1,4-ジイソプロピルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、メチルナフタレン等が挙げられる。
アミド系溶剤としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド等が挙げられる。これらの他、ジメチルスルホキシド等も用いることができる。
Examples of the ester solvent include aromatic esters such as phenyl acetate, phenyl propionate, methyl benzoate, ethyl benzoate, propyl benzoate, and n-butyl benzoate.
Examples of aromatic hydrocarbon solvents include toluene, xylene, cyclohexylbenzene, 3-isopropylbiphenyl, 1,2,3,4-tetramethylbenzene, 1,4-diisopropylbenzene, cyclohexylbenzene, and methylnaphthalene.
Examples of amide solvents include N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, etc. In addition to these, dimethyl sulfoxide, etc. can also be used.
正孔輸送層形成用組成物における正孔輸送性高分子の濃度は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であり、膜厚の均一性の点では低い方が好ましく、一方、正孔輸送層に欠陥が生じ難い点では高い方が好ましい。具体的には、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることが更に好ましく、0.5質量%以上であることが特に好ましく、また、一方、70質量%以下であることが好ましく、60質量%以下であることが更に好ましく、50質量%以下であることが特に好ましい。 The concentration of the hole transport polymer in the hole transport layer-forming composition may be any concentration as long as it does not significantly impair the effects of the present invention. A lower concentration is preferable in terms of film thickness uniformity, while a higher concentration is preferable in terms of reducing the likelihood of defects in the hole transport layer. Specifically, the concentration is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, and particularly preferably 0.5% by mass or more. On the other hand, the concentration is preferably 70% by mass or less, more preferably 60% by mass or less, and particularly preferably 50% by mass or less.
また、正孔輸送層形成用組成物中の溶剤の濃度は、通常10質量%以上、好ましくは30質量%以上、より好ましくは50質量%以上である。 The concentration of the solvent in the composition for forming the hole transport layer is typically 10% by mass or more, preferably 30% by mass or more, and more preferably 50% by mass or more.
正孔輸送層形成用組成物を用いて正孔輸送層を成膜する場合、正孔輸送層形成用組成物の塗布後、通常加熱を行う。加熱の手法は特に限定されないが、加熱乾燥の場合の条件としては、通常100℃以上、好ましくは120℃以上、より好ましくは150℃以上、また通常400℃以下、好ましくは350℃以下、より好ましくは300℃以下に、正孔輸送層形成用組成物を用いて形成された層を加熱する。
加熱時間としては、通常1分以上、好ましくは24時間以下である。加熱手段としては特に限定されないが、形成された層を有する積層体をホットプレート上に載せたり、オーブン内で加熱するなどの手段が用いられる。例えば、ホットプレート上で120℃以上、1分間以上加熱する等の条件を用いることができる。
When forming a hole transport layer using the composition for forming a hole transport layer, heating is usually performed after applying the composition for forming a hole transport layer. The heating method is not particularly limited, but in the case of heat drying, the layer formed using the composition for forming a hole transport layer is heated to a temperature of usually 100°C or higher, preferably 120°C or higher, more preferably 150°C or higher, and usually 400°C or lower, preferably 350°C or lower, more preferably 300°C or lower.
The heating time is usually 1 minute or more, preferably 24 hours or less. The heating method is not particularly limited, but may be, for example, placing the laminate having the formed layer on a hot plate or heating in an oven. For example, heating conditions such as heating on a hot plate at 120°C or higher for 1 minute or more may be used.
正孔輸送層の膜厚は、一実施形態では50nm以上100nm以下であり、別の実施形態では100nmより大きく400nm以下、好ましくは350nm以下であり、すなわち50nm以上400nm以下、好ましくは350nm以下である。
正孔輸送層の膜厚が上記下限以上であれば、ブロッキング層として正孔輸送層を設けたことによる暗電流の低減効果を有効に得ることができる。正孔輸送層の膜厚が上記上限以下であれば、有機光電変換素子を利用したCMOSイメージセンサにおいて光の入射角を広くとることが可能であり、また、有機光電変換素子の薄膜化を図ることができる。
The thickness of the hole transport layer is in one embodiment 50 nm or more and 100 nm or less, and in another embodiment, more than 100 nm and 400 nm or less, preferably 350 nm or less, i.e., 50 nm or more and 400 nm or less, preferably 350 nm or less.
When the thickness of the hole transport layer is equal to or greater than the lower limit, the dark current reduction effect due to the provision of the hole transport layer as a blocking layer can be effectively obtained. When the thickness of the hole transport layer is equal to or less than the upper limit, the incident angle of light can be widened in a CMOS image sensor using an organic photoelectric conversion element, and the organic photoelectric conversion element can be made thinner.
暗電流を効果的に低減するために、正孔輸送層は光電変換層のn型有機半導体に対して0.3eV以上浅いLUMOを有していることが好ましく、0.5eV以上浅いLUMOを有していることが好ましく、1.0eV以上浅いLUMOを有することがさらに好ましい。また、正孔輸送層は光電変換層で発生した正孔を効率よく第1電極へと運ぶ役割を果たすことから、光電変換層のp型有機半導体とのHOMOの差が0.5eV以内であることが好ましく、0.3eV以内であることが好ましい。 To effectively reduce dark current, the hole transport layer preferably has a LUMO shallower by 0.3 eV or more than the n-type organic semiconductor of the photoelectric conversion layer, preferably a LUMO shallower by 0.5 eV or more, and more preferably a LUMO shallower by 1.0 eV or more. Furthermore, because the hole transport layer plays a role in efficiently transporting holes generated in the photoelectric conversion layer to the first electrode, the difference in HOMO with the p-type organic semiconductor of the photoelectric conversion layer is preferably within 0.5 eV, and more preferably within 0.3 eV.
<光電変換層>
光電変換層は、光を吸収して電荷を分離する層であって、本発明の有機光電変換素子の光電変換層は、前述の本発明の有機半導体インクにより形成された前述の本発明の光電変換層である。
<Photoelectric conversion layer>
The photoelectric conversion layer is a layer that absorbs light and separates charges, and the photoelectric conversion layer of the organic photoelectric conversion element of the present invention is the photoelectric conversion layer of the present invention described above, formed from the organic semiconductor ink of the present invention described above.
<電子輸送層>
電子輸送層は、有機光電変換素子に必ずしも必要とされるものではないが、光電変換層と第2電極との間に電子輸送層を設けることで、光電変換効率を高めたり、暗電流を低減したりすることができる。
<Electron transport layer>
Although the electron transport layer is not necessarily required for an organic photoelectric conversion element, providing the electron transport layer between the photoelectric conversion layer and the second electrode can improve the photoelectric conversion efficiency and reduce the dark current.
電子輸送層は、光電変換層で生成した電子を効率よく第2電極に輸送することができる化合物より形成される。電子輸送層に用いられる電子輸送性化合物としては、光電変換層からの電子注入効率が高く、かつ、高い電子移動度を有し注入された電子を効率よく輸送することができる化合物であることが必要である。
このために、電子輸送層は光電変換層のn型半導体とのLUMOの差が1.5eV以下であることが好ましく、1.0eVであることが好ましい。また、電子輸送層によって暗電流を低減させる場合、電子輸送層は光電変換層のp型半導体に対して0.3eV以上深いHOMOを有していることが好ましく、0.5eV以上深いHOMOを有していることが好ましく、1.0eV以上深いHOMOを有していることがさらに好ましい。
The electron transport layer is formed from a compound capable of efficiently transporting electrons generated in the photoelectric conversion layer to the second electrode. The electron transporting compound used in the electron transport layer is required to have a high electron injection efficiency from the photoelectric conversion layer and a high electron mobility, so that the injected electrons can be efficiently transported.
For this reason, the difference in LUMO between the electron transport layer and the n-type semiconductor of the photoelectric conversion layer is preferably 1.5 eV or less, and more preferably 1.0 eV. Furthermore, when dark current is reduced by the electron transport layer, the electron transport layer preferably has a HOMO that is 0.3 eV or more deeper than the HOMO of the p-type semiconductor of the photoelectric conversion layer, preferably a HOMO that is 0.5 eV or more deeper, and more preferably a HOMO that is 1.0 eV or more deeper.
電子輸送層に用いる電子輸送性化合物としては、例えば、8-ヒドロキシキノリンのアルミニウム錯体などの金属錯体(特開昭59-194393号公報)、10-ヒドロキシベンゾ[h]キノリンの金属錯体、オキサジアゾール誘導体、ジスチリルビフェニル誘導体、シロール誘導体、3-ヒドロキシフラボン金属錯体、5-ヒドロキシフラボン金属錯体、ベンズオキサゾール金属錯体、ベンゾチアゾール金属錯体、トリスベンズイミダゾリルベンゼン(米国特許第5645948号明細書)、キノキサリン化合物(特開平6-207169号公報)、フェナントロリン誘導体(特開平5-331459号公報)、2-t-ブチル-9,10-N,N’-ジシアノアントラキノンジイミン、n型水素化非晶質炭化シリコン、n型硫化亜鉛、n型セレン化亜鉛などが挙げられる。 Examples of electron transport compounds used in the electron transport layer include metal complexes such as aluminum complexes of 8-hydroxyquinoline (Japanese Patent Laid-Open No. 59-194393), metal complexes of 10-hydroxybenzo[h]quinoline, oxadiazole derivatives, distyrylbiphenyl derivatives, silole derivatives, 3-hydroxyflavone metal complexes, 5-hydroxyflavone metal complexes, benzoxazole metal complexes, benzothiazole metal complexes, trisbenzimidazolylbenzene (U.S. Patent No. 5,645,948), quinoxaline compounds (Japanese Patent Laid-Open No. 6-207169), phenanthroline derivatives (Japanese Patent Laid-Open No. 5-331459), 2-t-butyl-9,10-N,N'-dicyanoanthraquinone diimine, n-type hydrogenated amorphous silicon carbide, n-type zinc sulfide, and n-type zinc selenide.
また、電子輸送層の形成材料として、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化セリウムなどの金属酸化物を用いることもできる。その場合、電子輸送層の成膜方法としては、金属酸化物のナノ粒子を湿式成膜して乾燥して金属酸化物層とする方法や、前駆体を湿式成膜して加熱変換する方法を用いることができる。 Metal oxides such as titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, and cerium oxide can also be used as materials for forming the electron transport layer. In this case, the electron transport layer can be formed by wet-forming metal oxide nanoparticles and drying them to form a metal oxide layer, or by wet-forming a precursor and then converting it by heating.
電子輸送層の膜厚は、通常1nm以上、好ましくは5nm以上であり、また、一方、通常300nm以下、好ましくは100nm以下である。 The film thickness of the electron transport layer is typically 1 nm or more, preferably 5 nm or more, and typically 300 nm or less, preferably 100 nm or less.
電子輸送層は、湿式成膜法或いは真空蒸着法により形成することができるが、通常、真空蒸着法が用いられる。 The electron transport layer can be formed by a wet film-forming method or a vacuum deposition method, but the vacuum deposition method is usually used.
<その他の構成層>
有機光電変換素子は、本発明の効果を著しく損なわなければ、上述した基板、第1及び第2電極、正孔輸送層、光電変換層及び電子輸送層以外の構成層を備えていてもよい。
例えば、有機光電変換素子は、外気の影響を最小限にするために、光電変換層部分、更には電極部分を含めて覆うように保護膜を備えていてもよい。保護層は、例えば、スチレン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンポリビニルアルコール共重合体、等のポリマー膜;酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム等の無機酸化膜や窒化膜;あるいはこれらの積層膜などにより構成することができる。
<Other constituent layers>
The organic photoelectric conversion element may include other constituent layers in addition to the substrate, first and second electrodes, hole transport layer, photoelectric conversion layer, and electron transport layer as long as the effects of the present invention are not significantly impaired.
For example, the organic photoelectric conversion element may be provided with a protective film that covers the photoelectric conversion layer portion and further the electrode portion in order to minimize the influence of the outside air. The protective layer may be composed of, for example, a polymer film such as a styrene resin, an epoxy resin, an acrylic resin, a polyurethane, a polyimide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, or a polyethylene-polyvinyl alcohol copolymer; an inorganic oxide film or nitride film such as silicon oxide, silicon nitride, or aluminum oxide; or a laminate film thereof.
前記の保護膜の形成方法に制限はない。例えば、保護膜をポリマー膜とする場合には、ポリマー溶液の塗布乾燥による形成方法、モノマーを塗布或いは蒸着して重合する形成方法などが挙げられる。また、ポリマー膜の形成に際しては、さらに架橋処理を行なったり、多層膜を形成したりすることも可能である。一方、保護膜を無機酸化膜や窒化膜等の無機物膜とする場合には、例えば、スパッタ法、蒸着法等の真空プロセスでの形成方法、ゾルゲル法に代表される溶液プロセスでの形成方法などを用いることができる。 There are no limitations on the method for forming the protective film. For example, if the protective film is a polymer film, examples include a method of coating and drying a polymer solution, or a method of coating or vapor-depositing a monomer and polymerizing it. When forming a polymer film, it is also possible to further perform a crosslinking process or form a multilayer film. On the other hand, if the protective film is an inorganic film such as an inorganic oxide film or nitride film, it is possible to use a vacuum process such as sputtering or vapor deposition, or a solution process such as the sol-gel method.
また、光電変換層で発生した電荷を効率よく電極に捕集させるために、第1電極と正孔輸送層との間、あるいは電子輸送層と第2電極との間に電荷注入層を備えていてもよい。
更に、有機光電変換素子は、例えば紫外線を透過させない光学フィルタを光の入射側に備えていてもよい。紫外線は一般に有機光電変換素子の劣化を促進することが多いため、この紫外線を遮断することにより、有機光電変換素子を長寿命化させることができるからである。
In order to allow the electrode to efficiently collect the charges generated in the photoelectric conversion layer, a charge injection layer may be provided between the first electrode and the hole transport layer or between the electron transport layer and the second electrode.
Furthermore, the organic photoelectric conversion element may be provided with an optical filter that blocks ultraviolet light, for example, on the light incident side. Since ultraviolet light generally accelerates the deterioration of organic photoelectric conversion elements, blocking this ultraviolet light can extend the life of the organic photoelectric conversion element.
<有機光電変換素子の製造方法>
有機光電変換素子は、通常、基板上に、第1電極、正孔輸送層、光電変換層、第2電極の順でこれらの層をそれぞれ前述した方法で積層形成することにより製造される。これらの層間に必要に応じて設けられる電子輸送層等の形成工程が設けられる。
<Method of manufacturing organic photoelectric conversion element>
An organic photoelectric conversion element is usually produced by laminating a first electrode, a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, and a second electrode on a substrate in this order by the methods described above, with a step of forming an electron transport layer or the like between these layers as needed.
<有機光電変換素子の用途>
本実施形態の光電変換素子は、光センサーや撮像素子等に使用される。その場合の光センサー及び撮像素子の構成は、既知のものを適用すればよい。
<Applications of organic photoelectric conversion elements>
The photoelectric conversion element of this embodiment is used in an optical sensor, an image sensor, etc. In this case, the optical sensor and the image sensor may have known configurations.
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明の範囲は、以下の実施例により限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.
<測定方法>
・膜厚の測定方法
膜厚は、接触型としては、例えば、触針式表面形状評価装置Dektak150(アルバック社製)、または、非接触型は、例えば、形状測定レーザマイクロスコープVK-X200(キーエンス社製)で測定することができる。
・外部量子効率の測定方法:
擬似太陽光装置・電気特性測定機器(分光計器社製)による分光感度の測定から、波長940nmの光において、素子に-5Vの電圧を印加した際の外部量子効率の値を得た。
<Measurement method>
Film Thickness Measurement Method The film thickness can be measured using, for example, a contact-type stylus surface profile evaluation device Dektak 150 (manufactured by ULVAC, Inc.), or, for example, a non-contact-type profile measurement laser microscope VK-X200 (manufactured by Keyence Corporation).
・Method for measuring external quantum efficiency:
The external quantum efficiency value was obtained by measuring the spectral sensitivity using a solar simulator/electrical property measuring device (manufactured by Bunkoukeiki Co., Ltd.) when a voltage of -5 V was applied to the element for light with a wavelength of 940 nm.
<実施例1>
ガラス基板上に電極としてインジウムスズ酸化物(ITO)の透明導電膜がパターン成膜されたITO基板の表面を紫外線オゾン洗浄機(NL-UV253、日本レーザー電子社製)で10分間処理した後に、正孔輸送層を次のように成膜した。
Example 1
A surface of an ITO substrate, on which a transparent conductive film of indium tin oxide (ITO) was patterned as an electrode, was treated with an ultraviolet ozone cleaner (NL-UV253, manufactured by Nippon Laser Electronics Co., Ltd.) for 10 minutes, and then a hole transport layer was formed as follows.
下記式(1)に示すポリトリアリールアミン化合物(正孔輸送性高分子)60mgを1mLのアニソールに溶解させ、正孔輸送層形成用組成物を調製した。この組成物を回転数1000rpmで60秒間、ITO基板の電極面にスピンコートし、240℃で30分間時間加熱乾燥して、膜厚300nmの正孔輸送層を形成した。 A composition for forming a hole transport layer was prepared by dissolving 60 mg of a polytriarylamine compound (hole transport polymer) represented by the following formula (1) in 1 mL of anisole. This composition was spin-coated onto the electrode surface of an ITO substrate at 1,000 rpm for 60 seconds, and then heated and dried at 240°C for 30 minutes to form a hole transport layer with a thickness of 300 nm.
以下の材料を用い、溶媒に非架橋性p型有機半導体、非架橋性n型有機半導体、エポキ
シ樹脂及び硬化剤を溶解させて有機半導体インクを調製した。
非架橋性p型有機半導体:前述の式(II)で表されるp型有機半導体(重量平均分子量240000)
非架橋性n型有機半導体:前述の式(I)において、
A=炭素原子
X1~X4=塩素原子
R1a,R1b=2-エチルヘキシル基
R2=2-エチルヘキシル基
R3=2-エチルヘキシルオキシ基
R4,R5=水素原子
であるn型有機半導体化合物
エポキシ樹脂:エポキシ樹脂(三菱ケミカル(株)製
jER828(エポキシ当量189g/eq))
An organic semiconductor ink was prepared by dissolving the following materials in a solvent: a non-crosslinkable p-type organic semiconductor, a non-crosslinkable n-type organic semiconductor, an epoxy resin, and a curing agent.
Non-crosslinkable p-type organic semiconductor: p-type organic semiconductor represented by the above formula (II) (weight average molecular weight: 240,000)
Non-crosslinkable n-type organic semiconductor: In the above formula (I),
A = carbon atom
X 1 to X 4 = chlorine atoms
R 1a and R 1b are 2-ethylhexyl groups.
R 2 = 2-ethylhexyl group
R 3 = 2-ethylhexyloxy group
n-type organic semiconductor compound in which R 4 and R 5 are hydrogen atoms Epoxy resin : epoxy resin (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
jER828 (epoxy equivalent weight 189 g/eq)
硬化剤:2-エチル-4-メチルイミダゾール
溶媒 :クロロベンゼン
Hardener: 2-ethyl-4-methylimidazole Solvent: chlorobenzene
有機半導体インク中の非架橋性p型有機半導体と非架橋性n型有機半導体の含有質量比(n型有機半導体/p型有機半導体)は1.2であり、非架橋性p型有機半導体と非架橋性n型有機半導体の合計100質量部に対する熱硬化成分の含有量は5.25質量部(エポキシ樹脂の含有量は5質量部,硬化剤の含有量は0.25質量部)であり、有機半導体インクの固形分濃度は16.5mg/mLである。 The mass ratio of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor to the non-crosslinkable n-type organic semiconductor in the organic semiconductor ink (n-type organic semiconductor/p-type organic semiconductor) is 1.2, the content of the thermosetting component per 100 parts by mass of the non-crosslinkable p-type organic semiconductor and the non-crosslinkable n-type organic semiconductor combined is 5.25 parts by mass (epoxy resin content: 5 parts by mass, curing agent content: 0.25 parts by mass), and the solids concentration of the organic semiconductor ink is 16.5 mg/mL.
この有機半導体インクを用いて、正孔輸送層上に毎分1000回転でスピンコートした後、120℃で30分間加熱処理してエポキシ樹脂を硬化させることで、膜厚150nmの光電変換層を形成した。 This organic semiconductor ink was spin-coated onto the hole transport layer at 1,000 revolutions per minute, and then heated at 120°C for 30 minutes to harden the epoxy resin, forming a photoelectric conversion layer with a thickness of 150 nm.
次いで、電子輸送材料としてC60フラーレン(フロンティアカーボン社製)40nmと金属電極としてアルミニウム100nmをそれぞれ真空にて成膜して有機光電変換素子を得た。 Next, a 40 nm thick film of C60 fullerene (manufactured by Frontier Carbon) was formed as an electron transport material, and a 100 nm thick film of aluminum was formed as a metal electrode in vacuum, to obtain an organic photoelectric conversion element.
<実施例2>
実施例1において、光電変換層形成時の加熱硬化のための加熱温度を160℃としたこと以外は同様にして有機光電変換素子を製造した。
Example 2
An organic photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1, except that the heating temperature for heat curing during the formation of the photoelectric conversion layer was set to 160°C.
<実施例3>
実施例1において、光電変換層形成時の加熱硬化のための加熱温度を200℃としたこと以外は同様にして有機光電変換素子を製造した。
Example 3
An organic photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1, except that the heating temperature for heat curing during the formation of the photoelectric conversion layer was set to 200°C.
<参考例1>
実施例1において、光電変換層形成時の加熱硬化を行わなかったこと以外は同様にして有機光電変換素子を製造した。
<Reference example 1>
An organic photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1, except that heat curing was not carried out when the photoelectric conversion layer was formed.
<耐熱性試験>
実施例1~3及び参考例1で得られた有機光電変換素子について、200℃の温度条件に50分間保持する耐熱性試験を行い、耐熱性試験後の各有機光電変換素子の外部量子効率を測定し、結果を表1に示した。
<Heat resistance test>
The organic photoelectric conversion elements obtained in Examples 1 to 3 and Reference Example 1 were subjected to a heat resistance test in which they were kept at a temperature of 200°C for 50 minutes, and the external quantum efficiency of each organic photoelectric conversion element after the heat resistance test was measured. The results are shown in Table 1.
表1より、本発明の有機半導体インクを用いて熱硬化成分による架橋構造を導入することにより耐熱性試験後の外部量子効率が高い有機光電変換素子、即ち、耐熱性に優れた光電変換層及び有機光電変換素子を得ることができることが分かる。
また、この耐熱性の程度は、加熱硬化時の加熱温度がある程度高いもの程高い傾向があることが分かる。これは、加熱温度が高く、エポキシ樹脂の硬化反応の進行度が高く、架橋度が高いもの程、p型有機半導体とn型有機半導体の流動による相溶性の変化がより効果的に抑制される結果、光電変換効率の低下が抑制されたことによるものと考えられる。
なお、参考例1は、本発明の有機半導体インクを用いているが、加熱硬化を行わないことにより、従来法の有機半導体インクによる光電変換層を模擬したものであり、耐熱性に劣る。
From Table 1, it can be seen that by using the organic semiconductor ink of the present invention and introducing a crosslinked structure due to a thermosetting component, it is possible to obtain an organic photoelectric conversion element with high external quantum efficiency after a heat resistance test, i.e., a photoelectric conversion layer and an organic photoelectric conversion element with excellent heat resistance.
It is also clear that the degree of heat resistance tends to be higher as the heating temperature during heat curing increases to a certain extent. This is thought to be because the higher the heating temperature, the more the curing reaction of the epoxy resin progresses, and the higher the degree of crosslinking, the more effectively the change in compatibility due to flow between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor is suppressed, thereby suppressing the decrease in photoelectric conversion efficiency.
Although Reference Example 1 uses the organic semiconductor ink of the present invention, it does not undergo heat curing, thereby simulating a photoelectric conversion layer made of a conventional organic semiconductor ink, and is therefore inferior in heat resistance.
10 有機光電変換素子
11 第1電極
12 正孔輸送層
13 光電変換層
14 電子輸送層
15 第2電極
20 有機光電膜
REFERENCE SIGNS LIST 10 Organic photoelectric conversion element 11 First electrode 12 Hole transport layer 13 Photoelectric conversion layer 14 Electron transport layer 15 Second electrode 20 Organic photoelectric film
Claims (11)
前記非架橋性p型有機半導体がベンゾジチオフェン構造及びチエノチオフェン構造を含む共役高分子であり、
前記非架橋性n型有機半導体が、下記式(I)で表される化合物であり、
前記熱硬化成分が、ビスフェノールAジグリシジルエーテルであることを特徴とする有機半導体インク。
the non-crosslinkable p-type organic semiconductor is a conjugated polymer containing a benzodithiophene structure and a thienothiophene structure,
The non-crosslinkable n-type organic semiconductor is a compound represented by the following formula (I):
An organic semiconductor ink characterized in that the thermosetting component is bisphenol A diglycidyl ether .
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