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JP2014028912A - 高分子化合物及びそれを用いた有機光電変換素子 - Google Patents

高分子化合物及びそれを用いた有機光電変換素子 Download PDF

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Yasunori Kamiya
保則 上谷
Katsuhiro Suenobu
克浩 末信
Ken Yoshimura
研 吉村
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Sumitomo Chemical Co Ltd
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Abstract

【課題】高い開放端電圧を付与しうる有機光電変換素子を提供する。
【解決手段】式(A)で表される繰り返し単位と、特定のチオフェン誘導体を含む繰り返し単位とを含む高分子化合物。
Figure 2014028912

〔式(A)中、複数個あるRは、水素原子、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基又は特定のエステル含有基。
【選択図】なし

Description

本発明は、高分子化合物及びそれを用いた有機光電変換素子に関する。
近年、有機光電変換素子(有機太陽電池、光センサー等)の開発が活発に行われている。有機光電変換素子の活性層には有機半導体材料が用いられる。この有機半導体材料として高分子化合物を含む組成物を用いれば、活性層を塗布法で形成することができる。塗布法で活性層を形成することができれば、素子の低コスト化を図ることができるため、活性層に適用可能な様々な組成物が検討されている。例えば、共役高分子化合物であるポリ3−ヘキシルチオフェンとフラーレン誘導体であるC60PCBMとを含む組成物を塗布法で成膜した活性層を備える有機太陽電池が提案されている(たとえば非特許文献1参照)。
アドバンスト ファンクショナル マテリアルズ(Advanced Functional Materials)、2003年、第13巻、p.85
しかし、前記有機光電変換素子は、開放端電圧(Voc)が必ずしも十分ではないという問題がある。
そこで、本発明は、高い開放端電圧を付与しうる有機光電変換素子を提供することを目的とする。
即ち、本発明は第一に、下記式(A)で表される繰り返し単位と、下記式(B1)〜(B6)で表される繰り返し単位のうちの少なくとも1つの繰り返し単位を含む高分子化合物を提供する。
Figure 2014028912

Figure 2014028912

〔式(A)、式(B1)〜(B6)中、複数個あるRは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基又は式(2)で表される基を表す。これらの基に含まれる水素原子はフッ素原子で置換されていてもよい。複数個あるRは、同一でも相異なっていてもよい。
Figure 2014028912
(2)
(式(2)中、m1は、0〜6の整数を表し、m2は、0〜6の整数を表す。R’は、アルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。)〕
下記式(1a)〜(1f)で表される繰り返し単位のうちの少なくとも1つの繰り返し単位を含む高分子化合物。
Figure 2014028912
〔式(1a)〜(1f)中、複数個あるRは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基又は式(2)で表される基を表す。これらの基に含まれる水素原子はフッ素原子で置換されていてもよい。複数個あるRは、同一でも相異なっていてもよい。
Figure 2014028912
(2)
(式(2)中、m1は、0〜6の整数を表し、m2は、0〜6の整数を表す。R’は、アルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。)〕
本発明は第三に、一対の電極と、該電極間に設けられた機能層とを有し、該機能層が電子受容性化合物と前記高分子化合物とを含む有機光電変換素子を提供する。
本発明の高分子化合物は、深いHOMOエネルギーを示し、開放端電圧(Voc)が高いため、極めて有用である。
以下、本発明を詳細に説明する。
<高分子化合物>
本発明の高分子化合物は、下記式(A)で表される繰り返し単位と、下記式(B1)〜(B6)で表される繰り返し単位のうちの少なくともいずれか1つの繰り返し単位とを含む。
Figure 2014028912

Figure 2014028912

〔式(A)、式(B1)〜(B6)中、複数個あるRは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基又は式(2)で表される基を表す。これらの基に含まれる水素原子はフッ素原子で置換されていてもよい。複数個あるRは、同一でも相異なっていてもよい。
Figure 2014028912
(2)
(式(2)中、m1は、0〜6の整数を表し、m2は、0〜6の整数を表す。R’は、アルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。)〕
Rで表されるアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、iso−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−オクチル基、iso−オクチル基、n−デシル基、n−ドデシル基、n−ペンタデシル基、n−オクタデシル基が挙げられる。アルキル基中の水素原子は、フッ素原子で置換されていてもよい。フッ素原子で水素原子が置換されたアルキル基としては、例えば、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロオクチル基が挙げられる。
Rで表されるアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、iso−プロポキシ基、ブトキシ基、iso−ブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、ノニルオキシ基、デシルオキシ基、3,7−ジメチルオクチルオキシ基が挙げられる。アルコキシ基中の水素原子は、フッ素原子で置換されていてもよい。フッ素原子で水素原子が置換されたアルコキシ基としては、例えば、トリフルオロメトキシ基、ペンタフルオロエトキシ基、パーフルオロブトキシ基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロオクチル基が挙げられる。
Rで表されるアリール基は、芳香族炭化水素から、水素原子1個を除いた原子団である。アリール基には、ベンゼン環を含む基、芳香族性を有する縮合環を含む基、2個以上のベンゼン環又は芳香族性を有する縮合環が直接結合した構造を有する基、2個以上のベンゼン環又は芳香族性を有する縮合環がビニレン等の基を介して結合した基などが含まれる。アリール基の炭素数は、6〜60であることが好ましく、6〜30であることがより好ましい。アリール基中の水素原子は、フッ素原子で置換されていてもよい。アリール基は、置換基を有していてもよい。アリール基としては、例えば、フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基が挙げられる。アリール基が有していてもよい置換基としては、例えば、ハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基が挙げられる。
Rで表されるヘテロアリール基としては、例えば、チェニル基、ピロリル基、フリル基、ピリジル基、キノリル基、イソキノリル基が挙げられる。ヘテロアリール基は、置換基を有していてもよい。ヘテロアリール基が有していてもよい置換基としては、例えば、ハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基が挙げられる。たとえばヘテロアリール基中の水素原子は、フッ素原子で置換されていてもよい。
式(2)で表される基において、m1は、0〜6の整数を表し、m2は、0〜6の整数を表す。R’は、アルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。R’で表されるアルキル基、アリール基及びヘテロアリール基の定義、およびその具体例は、Rで表されるアルキル基、アリール基及びヘテロアリール基の定義、およびその具体例と同じである。式(2)で表される基中の水素原子は、フッ素原子で置換されていてもよい。
Rが、アルキル基又はアルコキシ基である場合、高分子化合物の溶媒への溶解性の観点からは、アルキル基又はアルコキシ基の炭素数が1〜20であることが好ましく、2〜18であることがより好ましく、3〜12であることがさらに好ましい。
式(A)で表される繰り返し単位としては、例えば、下記繰り返し単位が挙げられる。
Figure 2014028912
式(B1)で表される繰り返し単位としては、例えば、下記繰り返し単位が挙げられる。
Figure 2014028912
式(B2)で表される化合物としては、例えば、下記化合物が挙げられる。
Figure 2014028912
式(B3)で表される化合物としては、例えば、下記化合物が挙げられる。
Figure 2014028912
式(B4)で表される化合物としては、例えば、下記化合物が挙げられる。
Figure 2014028912
式(B5)で表される化合物としては、例えば、下記化合物が挙げられる。
Figure 2014028912
式(B6)で表される化合物としては、例えば、下記化合物が挙げられる。
Figure 2014028912
本発明の高分子化合物に含まれる式(A)で表される繰り返し単位と、式(B1)〜(B6)で表される繰り返し単位との合計量は、該高分子化合物を含む機能層を有する有機光電変換素子の光電変換効率を高める観点からは、該高分子化合物が含有する繰り返し単位の合計量に対して、20〜100モル%であることが好ましく、30〜100モル%であることがより好ましい。
本発明の高分子化合物の他の態様は、式(1a)〜(1f)で表される繰り返し単位のうちの少なくとも1つの繰り返し単位を含む高分子化合物である。
Figure 2014028912
〔式(1a)〜(1f)中、Rは、前述と同じ意味を表す。〕
式(1a)で表される繰り返し単位としては、例えば、以下の繰り返し単位が挙げられる。
Figure 2014028912
式(1b)で表される繰り返し単位としては、例えば、以下の繰り返し単位が挙げられる。
Figure 2014028912
式(1c)で表される繰り返し単位としては、例えば、以下の繰り返し単位が挙げられる。
Figure 2014028912
式(1d)で表される繰り返し単位としては、例えば、以下の繰り返し単位が挙げられる。
Figure 2014028912
式(1e)で表される繰り返し単位としては、例えば、以下の繰り返し単位が挙げられる。
Figure 2014028912
式(1f)で表される繰り返し単位としては、例えば、以下の繰り返し単位が挙げられる。
Figure 2014028912
本発明の高分子化合物に含まれる式(1a)〜(1f)で表される繰り返し単位の量は、該高分子化合物を含む機能層を有する有機光電変換素子の光電変換効率を高める観点からは、該高分子化合物が含有する繰り返し単位の合計量に対して、20〜100モル%であることが好ましく、30〜100モル%であることがより好ましい。
本発明の高分子化合物のポリスチレン換算の重量平均分子量は、好ましくは103〜108であり、より好ましくは103〜107であり、さらに好ましくは103〜106である。
本発明の高分子化合物は、共役系高分子化合物であることが好ましい。ここで、共役系高分子化合物とは、高分子化合物の主鎖を構成する原子が実質的に共役している化合物を意味する。
本発明の高分子化合物は、式(A)で表される繰り返し単位、式(B1)〜(B6)で表される繰り返し単位、式(1a)〜(1f)で表される繰り返し単位、以外の繰り返し単位を第三の繰り返し単位として有していてもよい。該繰り返し単位としては、アリーレン基、ヘテロアリーレン基等が挙げられる。アリーレン基としては、フェニレン基、ナフタレンジイル基、アントラセンジイル基、ピレンジイル基、フルオレンジイル基等が挙げられる。ヘテロアリーレン基としては、フランジイル基、ピロールジイル基、ピリジンジイル基、式(D−1)〜式(D−11)で表される繰り返し単位等が挙げられる。
Figure 2014028912
式(D−1)〜式(D−11)中、Xは、硫黄原子、酸素原子又はセレン原子を表す。Xが複数ある場合には複数あるXは同一であっても良いし、異なっていても良い。
式(D−1)〜式(D−11)中、Rは、上記に示されるものと同じものを表す。Rが複数ある場合には複数あるRは同一であっても良いし、異なっていても良い。
<高分子化合物の製造方法>
本発明の高分子化合物は、如何なる方法で製造してもよいが、例えば、用いる重合反応に適した官能基を有するモノマーを合成した後に、必要に応じて該モノマーを有機溶媒に溶解し、アルカリ、触媒、配位子等を用いた公知のアリールカップリング反応を用いて重合することにより合成することができる。前記モノマーの合成は、例えば、特開2006−182920号公報、特開2006−335933号公報に示された方法を参考にして行うことができる。
アリールカップリング反応による重合は、例えば、Stilleカップリング反応による重合、Suzukiカップリング反応による重合、Yamamotoカップリング反応による重合、Kumada−Tamaoカップリング反応による重合が挙げられる。
Stilleカップリング反応による重合は、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、[トリス(ジベンジリデンアセトン)]ジパラジウム、パラジウムアセテート、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウムジクロライドなどのパラジウム錯体を触媒として用い、必要に応じて、トリフェニルホスフィン、トリ(2−メチルフェニル)ホスフィン、トリ(2-メトキシフェニル)ホスフィン、ジフェニルホスフィノプロパン、トリ(シクロヘキシル)ホスフィン、トリ(tert−ブチル)ホスフィン等の配位子を添加し、有機スズ残基を有するモノマーと、臭素原子、ヨウ素原子、塩素原子等のハロゲン原子を有するモノマー、又は、トリフルオロメタンスルホネート基、p-トルエンスルホネート基等のスルホネート基を有するモノマーとを反応させる重合である。Stilleカップリング反応による重合の詳細は、例えば、アンゲヴァンテ ケミー インターナショナル エディション(Angewandte Chemie International Edition),2005年,第44巻,p.4442−4489に記載されている。
Suzukiカップリング反応による重合は、無機塩基又は有機塩基の存在下、パラジウム錯体又はニッケル錯体を触媒として用い、必要に応じて配位子を添加し、ボロン酸残基又はボロン酸エステル残基を有するモノマーと、臭素原子、ヨウ素原子、塩素原子等のハロゲン原子を有するモノマー、又は、トリフルオロメタンスルホネート基、p-トルエンスルホネート基等のスルホネート基を有するモノマーとを反応させる重合である。
無機塩基としては、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸セシウム、リン酸三カリウム、フッ化カリウムが挙げられる。有機塩基としては、例えば、フッ化テトラブチルアンモニウム、塩化テトラブチルアンモニウム、臭化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウムが挙げられる。パラジウム錯体としては、例えば、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、[トリス(ジベンジリデンアセトン)]ジパラジウム、パラジウムアセテート、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウムジクロライドが挙げられる。ニッケル錯体としては、例えば、ビス(シクロオクタジエン)ニッケルが挙げられる。配位子としては、例えば、トリフェニルホスフィン、トリ(2−メチルフェニル)ホスフィン、トリ(2-メトキシフェニル)ホスフィン、ジフェニルホスフィノプロパン、トリ(シクロヘキシル)ホスフィン、トリ(tert−ブチル)ホスフィンが挙げられる。
Suzukiカップリング反応による重合の詳細は、例えば、ジャーナル オブ ポリマー サイエンス:パート エー:ポリマー ケミストリー(Journal of Polymer Science:Part A:Polymer Chemistry),2001年,第39巻,p.1533−1556に記載されている。
Yamamotoカップリング反応による重合は、触媒と還元剤とを用い、ハロゲン原子を有するモノマー同士、トリフルオロメタンスルホネート基等のスルホネート基を有するモノマー同士又はハロゲン原子を有するモノマーとスルホネート基を有するモノマーとを反応させる重合である。
触媒としては、ビス(シクロオクタジエン)ニッケル等のニッケルゼロ価錯体とビピリジル等の配位子からなる触媒、[ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン]ニッケルジクロライド、[ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]ニッケルジクロライド等のニッケルゼロ価錯体以外のニッケル錯体と、必要に応じ、トリフェニルホスフィン、ジフェニルホスフィノプロパン、トリ(シクロヘキシル)ホスフィン、トリ(tert−ブチル)ホスフィン等の配位子からなる触媒が挙げられる。還元剤としては、例えば、亜鉛、マグネシウムが挙げられる。Yamamotoカップリング反応による重合は、脱水した溶媒を反応に用いてもよく、不活性雰囲気下で反応を行ってもよく、脱水剤を反応系中に添加して行ってもよい。
Yamamotoカップリングによる重合の詳細は、例えば、マクロモルキュルズ(Macromolecules),1992年,第25巻,p.1214−1223に記載されている。
Kumada−Tamaoカップリング反応による重合は、[ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン]ニッケルジクロライド、[ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]ニッケルジクロライド等のニッケル触媒を用い、ハロゲン化マグネシウム基を有する化合物とハロゲン原子を有する化合物とを反応させる重合するである。反応は、脱水した溶媒を反応に用いてもよく、不活性雰囲気下で反応を行ってもよく、脱水剤を反応系中に添加して行ってもよい。
前記アリールカップリング反応による重合では、通常、溶媒が用いられる。該溶媒は、用いる重合反応、モノマー及びポリマーの溶解性等を考慮して選択すればよい。具体的には、テトラヒドロフラン、トルエン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、これらの溶媒を2種以上混合した混合溶媒等の有機溶媒、有機溶媒相と水相の二相を有する溶媒が挙げられる。Stilleカップリング反応に用いる溶媒はテトラヒドロフラン、トルエン、N,N−ジメチルホルムアミド、これらの溶媒を2種以上混合した混合溶媒等の有機溶媒、有機溶媒相と水相の二相を有する溶媒が好ましい。Stilleカップリング反応に用いる溶媒は、副反応を抑制するために、反応前に脱酸素処理を行うことが好ましい。Suzukiカップリング反応に用いる溶媒は、テトラヒドロフラン、トルエン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、これらの溶媒を2種以上混合した混合溶媒等の有機溶媒、有機溶媒相と水相の二相を有する溶媒が好ましい。Suzukiカップリング反応に用いる溶媒は、副反応を抑制するために、反応前に脱酸素処理を行うことが好ましい。Yamamotoカップリング反応に用いる溶媒は、テトラヒドロフラン、トルエン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、これらの溶媒を2種以上混合した混合溶媒等の有機溶媒が好ましい。Yamamotoカップリング反応に用いる溶媒は、副反応を抑制するために、反応前に脱酸素処理を行うことが好ましい。
前記アリールカップリング反応による重合の中でも、反応性の観点からは、Stilleカップリング反応により重合する方法、Suzukiカップリング反応により重合する方法、Yamamotoカップリング反応により重合する方法が好ましく、Stilleカップリング反応により重合する方法、Suzukiカップリング反応による重合する方法、ニッケルゼロ価錯体を用いたYamamotoカップリング反応による重合する方法がより好ましい。
前記アリールカップリング反応の反応温度の下限は、反応性の観点からは、好ましくは−100℃であり、より好ましくは−20℃であり、特に好ましくは0℃である。反応温度の上限は、モノマー及び高分子化合物の安定性の観点からは、好ましくは200℃であり、より好ましくは150℃であり、特に好ましくは120℃である。
前記アリールカップリング反応による重合において、反応終了後の反応溶液からの本発明の高分子化合物を取り出す方法としては、公知の方法が挙げられる。例えば、メタノール等の低級アルコールに反応溶液を加え、析出した沈殿をろ過し、ろ物を乾燥することにより、本発明の高分子化合物を得ることができる。得られた高分子化合物の純度が低い場合は、再結晶、ソックスレー抽出器による連続抽出、カラムクロマトグラフィー等により精製することができる。
本発明の高分子化合物を有機光電変換素子の製造に用いる場合、高分子化合物の末端に重合活性基が残っていると、有機光電変換素子の耐久性等の特性が低下することがあるため、高分子化合物の末端を安定な基で保護することが好ましい。
末端を保護する安定な基としては、アルキル基、アルコキシ基、フルオロアルキル基、フルオロアルコキシ基、アリール基、アリールアミノ基、1価の複素環基等が挙げられる。アリールアミノ基としては、フェニルアミノ基、ジフェニルアミノ基等が挙げられる。
1価の複素環基としては、チエニル基、ピロリル基、フリル基、ピリジル基、キノリル基、イソキノリル基等が挙げられる。また、高分子化合物の末端に残っている重合活性基を、安定な基に代えて、水素原子で置換してもよい。ホール輸送性を高める観点からは、末端を保護する安定な基がアリールアミノ基などの電子供与性を付与する基であることが好ましい。高分子化合物が共役高分子化合物である場合、高分子化合物の主鎖の共役構造と末端を保護する安定な基の共役構造とが連続するような共役結合を有している基も末端を保護する安定な基として好ましく用いることができる。該基としては、例えば、アリール基、芳香族性を有する1価の複素環基が挙げられる。
本発明において、式(1a)〜(1f)で表される繰り返し単位からなる高分子化合物のHOMOエネルギーおよび基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーは、以下のとおり計算する。計算モデル構造として、式(1a)〜(1f)で表される繰り返し単位の数nが1個からなる計算モデル構造、2個連結した計算モデル構造、3個連結した計算モデル構造を作成する。各計算モデル構造の両端の連結基には水素原子を結合させる。次に、各計算モデル構造に対して、密度汎関数法による構造最適化計算を行い、安定構造を求める。汎関数にはB3LYP法を用い、基底関数には3−21G*を用いる。さらに、該構造最適化計算により求められた構造に対して、時間依存密度汎関数法による基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーの計算を行う。その際、汎関数としてB3LYPを用い、基底関数には3−21G*を用いる。計算プログラムはGaussian09(Gaussian Inc.製)を用いるが、同等の手法であれば他のプログラムであってもよい。各計算モデル構造の繰り返し単位の逆数1/nを横軸に、HOMOエネルギーを縦軸として、各計算モデル構造のHOMOエネルギーをプロットする。プロットした3点の間に最小二乗法にて直線を引き、該直線を外挿し、1/nが0である場合の値を、高分子化合物のHOMOエネルギーとする。同様に、各計算モデル構造の繰り返し単位の逆数1/nを横軸に、励起エネルギーを縦軸として、各計算モデル構造の基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーをプロットする。プロットした3点の間に最小二乗法にて直線を引き、該直線を外挿し、1/nが0である場合の値を、高分子化合物の基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーとする。
例えば、高分子化合物が式(C)で表される繰り返し単位からなる場合、式(C−1)で表される化合物のHOMOエネルギー、式(C−2)で表される化合物のHOMOエネルギー、及び式(C−3)で表される化合物のHOMOエネルギーを計算する。次いで、横軸が1/nで表される値であり、縦軸がHOMOエネルギーである表に、横軸の座標が式(C−1)で表される化合物の1/nで表される値であって縦軸の座標が式(C−1)で表される化合物のHOMOエネルギーである第1の点、横軸の座標が式(C−2)で表される化合物の1/nで表される値であって縦軸の座標が式(C−2)で表される化合物のHOMOエネルギーである第2の点、及び、横軸の座標が式(C−3)で表される化合物の1/nで表される値であって縦軸の座標が式(C−3)で表される化合物のHOMOエネルギーである第3の点をプロットし、第1の点、第2の点、及び、第3の点を結ぶ近似直線を、最小ニ乗法により計算する。前記表において1/nで表される値が0である直線と前記近似直線との交点の縦軸の座標が式(C)で表される繰り返し単位を含む高分子化合物のHOMOエネルギーとなる。
−Ar− H−Ar−H
(C) (C−1)
H−Ar−Ar−H H−Ar−Ar−Ar−H
(C−2) (C−3)
〔式中、Arは、式(1a)〜(1f)で表される構造単位を含む2価の有機基を表す。Hは水素原子を表す。〕
本発明の高分子化合物において、式(1a)で表される繰り返し単位を含む高分子化合物は、例えば、式(4)で表される化合物と式(5)で表される化合物とを重合して製造することができる。重合反応としては、例えば、Suzukiカップリング反応が挙げられる。
Figure 2014028912
(4)
Figure 2014028912
(5)
(式(4)、(5)中、Rは、前述と同じ意味を表す。Zは、ボロン酸、ボロン酸エステル残基を表す。2個あるZは、同一でも相異なっていてもよい。)
式(4)中、Zで表されるボロン酸エステル残基は、ボロン酸エステルから水素原子を1個除いた基を表し、その具体例としては、下記式で表される基が挙げられる。
Figure 2014028912
(式中、Meはメチル基を表し、Etはエチル基を表す。)
式(4)で表される化合物としては、例えば、以下の化合物が挙げられる。
Figure 2014028912
式(4)で表される化合物は、式(6)で表される化合物を、有機溶媒中で、ジボロン酸、またはジボロン酸エステルと反応させることにより製造することができる。
Figure 2014028912
(6)
(式(6)中、Rは、前述と同じ意味を表す。)
式(6)で表される化合物と反応させるジボロン酸またはジボロン酸エステルは、反応性の観点からジボロン酸エステルであることが好ましい。ジボロン酸エステルとしては例えば下記の(D−1)〜(D−6)の構造が挙げられる。
Figure 2014028912
ジボロン酸エステルとして好ましくは(D−1)、(D−3)であり、特に好ましくは(D−3)である。ジボロン酸またはジボロン酸エステルの使用量は式(6)であらわされる化合物に対して通常2モル当量(以下、本明細書ではモル当量を単に当量と記載する。)〜10当量であり、好ましくは2当量〜4当量であり、さらに好ましくは2〜3当量である。
式(6)で表される化合物とジボロン酸またはジボロン酸エステルの反応は通常有機溶媒中で行われるが、該有機溶媒としては、芳香族炭化水素溶媒、脂肪族炭化水素溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン系溶媒、非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。芳香族炭化水素溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、クメン等が挙げられる。脂肪族炭化水素溶媒としては、ヘキサン、オクタン、デカンなどが挙げられる。エーテル系溶媒としては、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等が挙げられる。ハロゲン系溶媒としては、ジクロロメタン、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等が挙げられる。非プロトン性極性溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドンなどが挙げられる。溶媒として好ましくは芳香族炭化水素溶媒、エーテル溶媒であり、さらに好ましくはエーテル溶媒である。エーテル系溶媒の中でも好ましくはテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンであり、さらに好ましくは1,4−ジオキサンである。
式(6)で表される化合物とジボロン酸またはジボロン酸エステルの反応は触媒存在下で行うことが好ましい。触媒としてはパラジウム触媒、ロジウム触媒、ルテニウム触媒、白金触媒が挙げられるが、中でもパラジウム触媒が好ましい。パラジウム触媒としては、例えば、Pd(0)触媒、Pd(II)触媒が挙げられる。具体的には、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、パラジウムアセテート類、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、パラジウムアセテート、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウム、ジクロロビス(ジフェニルホスフィノフェロセン)パラジウムが挙げられ、反応操作の容易さ、反応速度の観点からは、ジクロロビス(ジフェニルホスフィノフェロセン)パラジウムが好ましい。パラジウム触媒の添加量は、特に限定されず、触媒としての有効量であればよいが、式(6)で表される化合物1モルに対して、通常、0.0001モル〜0.5モル、好ましくは0.0003モル〜0.2モルである。反応において、必要に応じて配位子を用いることもできる。配位子としては、例えば、トリフェニルホスフィン、トリ(o−トリル)ホスフィン、トリ(o−メトキシフェニル)ホスフィン、トリス(2−フリル)ホスフィン、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン等のリン化合物やトリフェニルアルシン、トリフェノキシアルシン等の砒素化合物が挙げられる。配位子として好ましくは1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンである。配位子を用いる場合、配位子の添加量は、パラジウム触媒1モルに対して、通常、0.5モル〜100モルであり、好ましくは0.9モル〜20モル、さらに好ましくは1モル〜10モルである。
式(6)で表される化合物とジボロン酸またはジボロン酸エステルの反応を行う温度は、前記溶媒にもよるが、通常、50〜160℃程度であり、60〜120℃が好ましい。また、溶媒の沸点近くまで昇温し、還流させてもよい。前記反応を行う時間(反応時間)は、高速液体クロマトグラフィ等で分析を行い、目的の転化率に達したときを終点としてもよいが、通常、0.1時間〜200時間程度である。1時間〜30時間程度が効率的で好ましい。
式(6)で表される化合物は、例えば、マクロモルキュルズ、2009年、第42巻、第17号、p.6564〜6571(Macromolecules, 42(17), 6564 (2009))に記載の方法を用いて合成することができる。
式(5)で表される化合物は、例えば、公表特許公報2010−501030に記載の方法を用いて合成することができる。
同様に式(1b)、(1c)、(1d)、(1e)、(1f)で表される繰り返し単位を含む高分子化合物は、各々式(7)、式(8)、式(9)、式(10)、式(11)で表される化合物と式(5)で表される化合物とを重合して製造することができる。重合反応としては、例えば、Suzukiカップリング反応が挙げられる。
Figure 2014028912
(式(7)、(8)、式(9)、式(10)、式(11)中、Rは前述と同じ意味を表す。複数あるRは、同一でも相異なっていてもよい。)
<有機光電変換素子>
本発明の高分子化合物は、HOMOが深く、大きな解放端電圧を得ることができる。また、吸収波長が長波長であるため、高い短絡電流密度を得ることができる。
本発明の有機光電変換素子は、一対の電極と、該電極間に機能層を有し、該機能層が電子受容性化合物と本発明の高分子化合物を含有する。電子受容性化合物としては、フラーレン類、フラーレン誘導体が好ましい。有機光電変換素子の具体例としては、
1.一対の電極と、該電極間に機能層を有し、該機能層が電子受容性化合物と、本発明の高分子化合物とを含有する有機光電変換素子;
2.一対の電極と、該電極間に機能層を有し、該機能層が電子受容性化合物と、本発明の高分子化合物とを含有する有機光電変換素子であって、該電子受容性化合物がフラーレン誘導体である有機光電変換素子;
が挙げられる。前記一対の電極は、通常、少なくとも一方が透明又は半透明であり、以下、その場合を一例として説明する。
前記1.の有機光電変換素子では、電子受容性化合物及び前記高分子化合物を含有する機能層における該電子受容性化合物の量が、前記高分子化合物100重量部に対して、10〜1000重量部であることが好ましく、20〜500重量部であることがより好ましい。また、前記2.の有機光電変換素子では、フラーレン誘導体及び前記高分子化合物を含有する機能層における該フラーレン誘導体の量が、該重合体100重量部に対して、10〜1000重量部であることが好ましく、20〜500重量部であることがより好ましい。光電変換効率を高める観点からは、機能層における該フラーレン誘導体の量が、該重合体100重量部に対して、20〜400重量部であることが好ましく、40〜250重量部であることがより好ましく、80〜120重量部であることがさらに好ましい。短絡電流密度を高める観点からは、機能層における該フラーレン誘導体の量が、該重合体100重量部に対して、20〜250重量部であることが好ましく、40〜120重量部であることがより好ましい。
有機光電変換素子が高い光電変換効率を有するためには、前記電子受容性化合物及び本発明の高分子化合物が所望の入射光のスペクトルを効率よく吸収することができる吸収域を有するものであること、ヘテロ接合界面が励起子を効率よく分離するためにヘテロ接合界面を多く含むこと、ヘテロ接合界面が生成した電荷を速やかに電極へ輸送する電荷輸送性を有することが重要である。
このような観点から、有機光電変換素子としては、前記1.、前記2.の有機光電変換素子が好ましく、ヘテロ接合界面を多く含むという観点からは、前記2.の有機光電変換素子がより好ましい。また、本発明の有機光電変換素子には、少なくとも一方の電極と該素子中の機能層との間に付加的な層を設けてもよい。付加的な層としては、ホール又は電子を輸送する電荷輸送層、バッファ層等が挙げられる。
本発明の有機光電変換素子は、通常、基板上に形成される。該基板は、電極を形成し、有機物の層を形成する際に化学的に変化しないものであればよい。基板の材料としては、例えば、ガラス、プラスチック、高分子フィルム、シリコンが挙げられる。不透明な基板の場合には、反対の電極(即ち、基板から遠い方の電極)が透明又は半透明であることが好ましい。
一対の電極の材料には、金属、導電性高分子等を用いることができる。一対の電極のうち一方の電極の材料は仕事関数の小さい材料が好ましい。例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、スカンジウム、バナジウム、亜鉛、イットリウム、インジウム、セリウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウム等の金属、及びそれらの金属のうちの2つ以上の金属の合金、又はそれらの金属のうちの1つ以上の金属と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫のうちの1つ以上の金属との合金、グラファイト、グラファイト層間化合物等が用いられる。合金の例としては、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、カルシウム−アルミニウム合金が挙げられる。
前記の透明又は半透明の電極の材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、及びそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド(ITO)、インジウム・亜鉛・オキサイド等からなる導電性材料を用いて作製された膜、NESA、金、白金、銀、銅が用いられ、ITO、インジウム・亜鉛・オキサイド、酸化スズが好ましい。電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法等が挙げられる。また、電極材料として、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体等の有機の透明導電膜を用いてもよい。
前記付加的な層としての電荷輸送層、即ち、ホール輸送層又は電子輸送層に用いられる材料として、それぞれ後述の電子供与性化合物、電子受容性化合物を用いることができる。
付加的な層としてのバッファ層に用いられる材料としては、フッ化リチウム等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属のハロゲン化物又は酸化物等を用いることができる。また、酸化チタン等の無機半導体の微粒子を用いることもできる。
<有機薄膜>
本発明の有機光電変換素子における前記機能層としては、例えば、式(A)で表される繰り返し単位と、式(B1)〜(B6)で表される繰り返し単位のうちの少なくとも1つの繰り返し単位とを有する高分子化合物と電子受容性化合物とを含有する有機薄膜を用いることができる。
前記有機薄膜は、膜厚が、通常、1nm〜100μmであり、好ましくは2nm〜1000nmであり、より好ましくは5nm〜500nmであり、さらに好ましくは20nm〜200nmである。
前記有機薄膜は、前記高分子化合物を一種単独で含んでいても二種以上を組み合わせて含んでいてもよい。また、前記有機薄膜のホール輸送性を高めるため、前記有機薄膜中に電子供与性化合物として、低分子化合物及び/又は前記高分子化合物以外の高分子化合物を混合して用いることもできる。
式(A)で表される繰り返し単位と式(B1)〜(B6)で表される繰り返し単位のうちの少なくとも1つの繰り返し単位とを有する高分子化合物以外に有機薄膜が含んでいてもよい電子供与性化合物としては、例えば、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェン及びその誘導体、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、側鎖又は主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体が挙げられる。
前記電子受容性化合物としては、例えば、オキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン及びその誘導体、ベンゾキノン及びその誘導体、ナフトキノン及びその誘導体、アントラキノン及びその誘導体、テトラシアノアントラキノジメタン及びその誘導体、フルオレノン誘導体、ジフェニルジシアノエチレン及びその誘導体、ジフェノキノン誘導体、8−ヒドロキシキノリン及びその誘導体の金属錯体、ポリキノリン及びその誘導体、ポリキノキサリン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、C60等のフラーレン及びその誘導体、カーボンナノチューブ、2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン等のフェナントロリン誘導体が挙げられ、とりわけフラーレン及びその誘導体が好ましい。
なお、前記電子供与性化合物、前記電子受容性化合物は、これらの化合物のエネルギー準位のエネルギーレベルから相対的に決定される。
フラーレン類としては、C60、C70、およびC84などが挙げられ、フラーレン誘導体としては、C60、C70、およびC84などの誘導体が挙げられる。なおフラーレン誘導体とは、フラーレン類の少なくとも一部が修飾された化合物を表す。
フラーレン類の誘導体としては、例えば、式(I)で表される化合物、式(II)で表される化合物、式(III)で表される化合物、式(IV)で表される化合物が挙げられる。
Figure 2014028912
(I) (II) (III) (IV)
(式(I)〜(IV)中、Rは、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基又はエステル構造を有する基である。複数個あるRは、同一であっても相異なってもよい。Rはアルキル基又はアリール基を表す。複数個あるRは、同一であっても相異なってもよい。)
及びRで表されるアルキル基、アリール基及びヘテロアリール基の定義、具体例は、Rで表されるアルキル基、アリール基及びヘテロアリール基の定義、具体例と同じである。
で表されるエステル構造を有する基は、例えば、式(V)で表される基が挙げられる。
Figure 2014028912
(V)
(式(V)中、u1は、1〜6の整数を表す、u2は、0〜6の整数を表す、Rは、アルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。)
で表されるアルキル基、アリール基及びヘテロアリール基の定義、具体例は、Rで表されるアルキル基、アリール基及びヘテロアリール基の定義、具体例と同じである。
60の誘導体の具体例としては、以下のようなものが挙げられる。
Figure 2014028912

Figure 2014028912

Figure 2014028912
70の誘導体の具体例としては、以下のようなものが挙げられる。
Figure 2014028912
<有機薄膜の製造方法>
前記有機薄膜は、如何なる方法で製造してもよく、例えば、本発明の高分子化合物を含む溶液からの成膜による方法で製造してもよいし、真空蒸着法により有機薄膜を形成してもよい。溶液からの成膜により有機薄膜を製造する方法としては、例えば、一方の電極上に該溶液を塗布し、その後、溶媒を蒸発させて有機薄膜を製造する方法が挙げられる。
溶液からの成膜に用いる溶媒は、本発明の高分子化合物を溶解させるものであれば特に制限はない。この溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、デカリン、ビシクロヘキシル、n−ブチルベンゼン、sec−ブチルベンゼン、tert−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、ブロモペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化不飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類系溶媒が挙げられる。本発明の高分子化合物は、通常、前記溶媒に0.1重量%以上溶解させることができる。
溶液からの成膜には、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法、ノズルコート法、キャピラリーコート法等の塗布法を用いることができ、スピンコート法、フレキソ印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法が好ましい。
<素子の用途>
有機光電変換素子は、透明又は半透明の電極から太陽光等の光を照射することにより、電極間に光起電力が発生し、有機薄膜太陽電池として動作させることができる。有機薄膜太陽電池を複数集積することにより有機薄膜太陽電池モジュールとして用いることもできる。
また、電極間に電圧を印加した状態で、透明又は半透明の電極から光を照射することにより、光電流が流れ、有機光センサーとして動作させることができる。有機光センサーを複数集積することにより有機イメージセンサーとして用いることもできる。
以下、本発明をさらに詳細に説明するために計算例を示す。計算により、高分子化合物のHOMOエネルギー、基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーを求めた。
計算例1
高分子化合物1は下記式で表される最小の繰り返し単位を有する。計算モデル構造として、該繰り返し単位が1個からなる計算モデル構造、2個連結した計算モデル構造、3個連結した計算モデル構造を作成した。各計算モデル構造の両端の連結基には水素原子を結合させた。次に、各計算モデル構造に対して、密度汎関数法による構造最適化計算を行い、安定構造を求めた。汎関数にはB3LYPを用い、基底関数には3−21G*を用いた。さらに、該構造最適化計算により求められた構造に対して、時間依存密度汎関数法による基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーの計算を行った。その際、汎関数としてB3LYPを用い、基底関数には3−21G*を用いた。計算プログラムはGaussian09(Gaussian Inc.製)を用いた。各計算モデル構造の繰り返し単位nの逆数、すなわち1/nを横軸に、HOMOエネルギーを縦軸として、各計算モデル構造のHOMOエネルギーをプロットした。プロットした3点の間に最小二乗法にて直線を引き、該直線を外挿し、1/nが0である場合のHOMOエネルギーを、高分子化合物1のHOMOエネルギーとした。基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーについても、1/nを横軸に、励起エネルギーを縦軸として、各計算モデル構造の基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーをプロットした。プロットした3点の間に最小二乗法にて直線を引き、該直線を外挿し、1/nが0である場合のエネルギーを、重合体Aの基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーとした。高分子化合物1のHOMOエネルギーは−4.91(eV)、基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーは、1.54(eV)であった。
Figure 2014028912
高分子化合物1 最小の繰り返し単位
Figure 2014028912
計算例2
高分子化合物2は下記式で表される最小の繰り返し単位を有する。計算例1と同様の法で、高分子化合物2のHOMOエネルギーおよび基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギー重項状態への励起エネルギーは、1.76(eV)であった。を計算した。高分子化合物2のHOMOエネルギーは―5.07(eV)基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーは、1.76(eV)であった。
Figure 2014028912
高分子化合物2 最小の繰り返し単位
Figure 2014028912
計算例3
高分子化合物3は下記式で表される最小の繰り返し単位を有する。計算例1と同様の方法で、高分子化合物3のHOMOエネルギーおよび基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーを計算した。高分子化合物3のHOMOエネルギーは―4.70(eV)、基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーは、1.90(eV)であった。
Figure 2014028912
高分子化合物3 最小の繰り返し単位
Figure 2014028912
計算例4
高分子化合物4は下記式で表される最小の繰り返し単位を有する。計算例1と同様の方法で、高分子化合物4のHOMOエネルギーおよび基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーを計算した。高分子化合物4のHOMOエネルギーは―4.77(eV)、基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーは、1.61(eV)であった。
Figure 2014028912
最小の繰り返し単位
Figure 2014028912
計算例5
高分子化合物5は下記式で表される最小の繰り返し単位を有する。計算例1と同様の方法で、高分子化合物5のHOMOエネルギーおよび基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーを計算した。高分子化合物5のHOMOエネルギーは―4.90(eV)、基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーは、1.76(eV)であった。であった。
Figure 2014028912
最小の繰り返し単位
Figure 2014028912
計算例6
高分子化合物6は下記式で表される最小の繰り返し単位を有する。計算例1と同様の方法で、高分子化合物6のHOMOエネルギーおよび基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーを計算した。高分子化合物6のHOMOエネルギーは―4.55(eV)、基底状態から最低励起一重項状態への励起エネルギーは、2.01(eV)であった。であった。
Figure 2014028912
最小の繰り返し単位
Figure 2014028912
計算例1〜3に示されるように、式(A)で表される繰り返し単位と式(B1)、(B2)、(B3)のいずれかで表される繰り返し単位とを含む高分子化合物は、計算例4〜6に示されるそうでない高分子化合物に比べて、HOMOエネルギーが深く、高い開放端電圧(Voc)を得ることができる。
以下、本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
高分子化合物のポリスチレン換算の重量平均分子量はサイズエクスクルージョンクロマトグラフィー(SEC)により求めた。
カラム: TOSOH TSKgel SuperHM-H(2本)+ TSKgel SuperH2000(4.6mm I.d. × 15cm);検出器:RI (SHIMADZU RID-10A);移動相:テトラヒドロフラン(THF)
合成例1
(化合物2の合成)
Figure 2014028912
化合物1 化合物2

攪拌装置を備えた2Lの4つ口フラスコに98%硫酸を2800g、化合物1を80.0g(0.384M)入れ、室温、 アルゴン雰囲気下で撹拌した。続いて撹拌下でN−ブロモコハク酸イミド(以下、NBSと呼称することもある) 23.9g(0.134M)を加えて30分間室温で攪拌した。その後、NBS 23.9g(0.134M)を加えて30分間室温で攪拌する操作を5回行った。NBSの添加量は合計で143.4gであった。その後、さらにNBS 20.4g(0.115M)を投入し、2時間室温で攪拌した。得られたスラリーを氷 7 Kgに加え、30分間撹拌した後、析出した結晶(オレンジ色)を濾過、水洗した。得られた固体を60℃、真空で乾燥して、粗結晶 を得た。得られた粗結晶 にクロロホルム 1430mlを注入し、2時間の加熱、還流を行い、スラリー状態とした。冷却後、ろ過、乾燥して 化合物2を95.1g得た。
合成例2
(化合物3の合成)
Figure 2014028912
化合物2 化合物3
攪拌装置を備えた500mL4つ口フラスコにマグネシウム12.0g(492mM)を入れてフラスコ内の気体をアルゴン置換した。この中へ、n―ドデシルブロマイド 122.8g(492mM)を無水THF 150mLに溶解させた溶液を45分間かけて滴下した。滴下後、フラスコを85℃のオイルバスに浸して、1.5時間攪拌した。その後、無水THF 250mlを加えて希釈し、25℃に冷却した。この操作で得られた溶液を溶液1と呼称する。
攪拌装置を備えた上記とは別の1Lの4 つ口フラスコに 化合物2を 30.0g(82mM)、無水THF113mlを仕込み、撹拌させた。このフラスコを氷水で冷却しながら、上記の溶液2を1時間かけて滴下した。滴下後、さらに12時間撹拌した。氷水で冷却しながら、飽和塩化アンモニウム水溶液 400mlを1時間かけて滴下し、30分間撹拌後、酢酸エチル 500mlで抽出した。得られた有機層を飽和塩化アンモニウム水溶液で2 回洗浄し、硫酸マグネシウムで脱水、脱溶剤し、粗オイルを得た。さらに析出した赤色結晶をろ過して回収した。得られた赤色結晶を5mmHgに減圧し、118℃まで加温することで揮発成分を留去し、粗精製物 55.3gを得た。さらにシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製(溶出溶剤 ヘキサン/酢酸エチル=20/1(vol/vol))することによって 26.0gの化合物3の結晶を得た。
合成例3
(化合物4の合成)
Figure 2014028912
化合物3 化合物4
攪拌装置を備えた200mLの4 つ口フラスコに 化合物3を26.0g(36.8mM)、トリフルオロ酢酸 140ml、氷酢酸 79ml、塩化亜鉛 6.8gを仕込み、室温、アルゴン置換、撹拌下、82℃に昇温し、3時間攪拌した。続いてフラスコを徐々に減圧してトリフルオロ酢酸および酢酸を除去した。このフラスコに水を加えて、酢酸エチルで抽出し、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄して、硫酸マグネシウムで乾燥した。エバポレーターで溶媒を留去して粗生成物 24.6gを得た。その後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶出溶媒:ヘキサン)で精製して化合物4を16.6g得た。
合成例4
(化合物5の合成)
Figure 2014028912
化合物2 化合物5
攪拌装置を備えた500mL4つ口フラスコにマグネシウムを12.0g(492mM)入れてフラスコ内部の気体をアルゴンで置換した。このフラスコに、n−へキシルブロミド 81.2g(492mM)の無水THF (150ml)溶液を45分間かけて滴下した。滴下後、さらに85℃に昇温し、1.5時間の還流反応を行った。その後、無水THF (250ml)を加えて希釈し、25℃に冷却した。得られた溶液を溶液2と呼称する。
攪拌装置を備えた上記とは異なる1Lの4 つ口フラスコに 化合物2を30.0g(82mM)、無水THF 114mlを入れて溶液とした。得られた溶液を氷冷下で攪拌しながら、上記の溶液2を1時間かけて滴下した。滴下後、さらに12時間撹拌した。その後、飽和塩化アンモニウム水溶液400mlを1時間かけて滴下し、30分間撹拌後、酢酸エチル 500mlで抽出した。得られた有機層を飽和塩化アンモニウム水溶液で2 回洗浄し、硫酸マグネシウムで脱水した。エバポレーターで溶媒を留去し、粗生成物を得た。得られた粗生成物をヘキサンで洗浄して19.6gの粗生成物を得た。得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィ(溶出溶液 ヘキサン/酢エチ=20/1(vol/vol)) 13.9gの化合物5を得た。
合成例5
(化合物6の合成)
Figure 2014028912
化合物5 化合物6
攪拌装置を備えた200mlの4 つ口フラスコに 化合物5を13.9g(25.8mM)、トリフルオロ酢酸 79ml、氷酢酸 42ml、塩化亜鉛 3.6gを仕込み、アルゴン雰囲気下、82℃度で3時間攪拌した。続いてフラスコを減圧してトリフルオロ酢酸と酢酸を留去した。その後、水を加えて酢酸エチルで抽出し、有機層を飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄し、硫酸マグネシウムで脱水した。その後、エバポレーターで溶媒を留去して粗生成物 12.6gを得た。その後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶出溶液 ヘキサン)で精製して目的の化合物6を6.49gを得た。
合成例6
(化合物8の合成)
Figure 2014028912
化合物7 化合物8
窒素気流雰囲気下ジムロートを取付けた100ml3口フラスコに化合物7(Luminescence Technology社より購入、3.70g、5.4mmol)、bis(pinacolato)diboron(3.00g、11.8mmol)、酢酸カリウム(2.59g、26.4mmol)、PdCl2(dppf)(0.09g、0.1mmol)、dppf(0.06g、0.1mmol)、無水1,4-ジオキサン300mlを室温下にて仕込み、15時間加熱還流下攪拌した。攪拌後反応液をセライトろ過し、セライトケーキをクロロホルム200mlを用い、5回洗浄した。ろ液をエバポレータにて濃縮し、得られた残渣にクロロホルム200mlを加え80℃にて加熱攪拌し、そこへアセトニトリル400ml加え、攪拌を続けながら、室温まで放冷後さらに1時間攪拌した。得られたスラリーをろ取、アセトニトリル100mlを用い2回洗浄した後減圧乾燥(50mmHg、70℃、3hr)することで、化合物8を2.25g(0.24mmol、収率53.4%)得た。
1H−NMR(270MHz/CDCl3):
δ8.93(d、2H)、7.72(d、2H)、4.07(m、4H)、1.85(m、2H)、1.37(s、24H)、1.50−1.15(m、16H)、0.95−0.80(d、12H)
実施例1
(高分子化合物7の合成)
Figure 2014028912
化合物8 化合物4 高分子化合物7
内部を窒素ガスで置換した100mLの四つ口フラスコに化合物4(106.3mg、0.154mmol)、乾燥クロロベンゼン(5mL)を加えて30分間アルゴンでバブリングして脱気した。脱気後にトリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(7.07mg,0.00772mmol)、トリ-tert-ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(8.96mg、0.0309mmol)、3Mリン酸カリウム水溶液(2mL)を加え、80℃に加熱した。このフラスコに、30分間アルゴンでバブリングして脱気した化合物8(120mg,0.154mmol)の乾燥THF(5mL)溶液を5分間かけて滴下し、80℃で3時間加熱した。続いて、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム二水和物(1.74g)とイオン交換水(10mL)を加え、90℃で2時間加熱した。得られた有機層をイオン交換水(20mL)で2回、10wt%酢酸水溶液(20mL)で2回、イオン交換水(20mL)で2回洗浄した後、メタノール(50mL)に注いで固体を析出させた。得られた固体をo−ジクロロベンゼン8mLに再溶解させて、カラムクロマトグラフィ(SiOおよびアルミナ)を通過させ、得られた溶液をメタノール(50mL)に注いで固体を析出させた。析出した固体をろ過、乾燥を行うことにより、高分子化合物7を111mg得た。GPCで測定した高分子化合物7の分子量はMn=96500、Mw=729000であった。
実施例2
(高分子化合物8の合成)
Figure 2014028912
化合物8 化合物6 高分子化合物8
内部を窒素ガスで置換した100mLの四つ口フラスコに化合物6(80mg、0.154mmol)、乾燥クロロベンゼン(5mL)を加えて30分間アルゴンでバブリングして脱気した。脱気後にトリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(7.04mg,0.00769mmol)、トリ-tert-ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(8.92mg、0.0308mmol)、3Mリン酸カリウム水溶液(2mL)を加え、80℃に加熱した。このフラスコに、30分間アルゴンでバブリングして脱気した化合物8(120mg,0.154mmol)の乾燥THF(5mL)溶液を5分間かけて滴下し、80℃で3時間加熱した。続いて、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム二水和物(1.74g)とイオン交換水(10mL)を加え、90℃で2時間加熱した。得られた有機層をイオン交換水(20mL)で2回、10wt%酢酸水溶液(20mL)で2回、イオン交換水(20mL)で2回洗浄した後、メタノール(50mL)に注いで固体を析出させた。得られた固体をo−ジクロロベンゼン7mLに再溶解させて、カラムクロマトグラフィ(SiOおよびアルミナ)を通過させ、得られた溶液をメタノール(50mL)に注いで固体を析出させた。析出した固体をろ過、乾燥を行うことにより、高分子化合物8を109mg得た。GPCで測定した高分子化合物8の分子量はMn=144000、Mw=800000であった。
実施例3
(高分子化合物9の合成)
Figure 2014028912
化合物9 化合物6 高分子化合物9
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した100mLフラスコに、特開2011−249757号公報に記載の化合物9を303.0mg(0.288mmol)、化合物6を150mg(0.288mmol)、トリス(2−トリル)ホスフィンを7.90mg(0.0259mmol)、脱水トルエン12mlを入れて均一溶液とした。得られたトルエン溶液を、アルゴンで30分バブリングした。その後、トルエン溶液に、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを3.96mg(0.00432mmol)加え、105℃で4時間攪拌した。その後、フラスコを室温までに冷却し、反応液をメタノール200mLと濃塩酸20mLの混合溶液に注いだ。析出したポリマーをろ過して回収し、得られたポリマーを、円筒ろ紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノールおよびアセトンでそれぞれ3時間洗浄した。円筒ろ紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン12mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム0.24gと水2.0mLを加え、90℃で3時間攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水50mlで2回洗浄し、次いで、3wt%の酢酸水溶液50mLで2回洗浄し、次いで、水50mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。ポリマーをろ過後、乾燥し、得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン24mLに再度溶解し、アルミナ/シリカゲルカラムを通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、ポリマーをろ過後、乾燥し、精製された高分子化合物9を166mgを得た。GPCで測定した高分子化合物9の分子量はMn=73000、Mw=193000であった。
合成例7
(化合物11の合成)
Figure 2014028912
化合物10 化合物11
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した200mLフラスコに、国際公開第2011/052709号の記載に従って合成した化合物10を2.00g(3.77 mmol)、脱水テトラヒドロフランを100mL入れて均一な溶液とした。該溶液を−78℃に保ち、該溶液に1.6Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液5.89mL(9.42mmol)を10分かけて滴下した。滴下後、反応液を−78℃で30分攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、フラスコを−78℃に冷却し、反応液にトリブチルスズクロリドを3.37g(10.4mmol)加えた。添加後、反応液を−78℃で30分攪拌し、次いで、室温(25℃)で3時間攪拌した。その後、反応液に水200mlを加えて反応を停止し、酢酸エチルを加えて反応生成物を含む有機層を抽出した。有機層を硫酸ナトリウムで乾燥させ、濾過後、濾液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。得られたオイル状の物質を展開溶媒がヘキサンであるシリカゲルカラムで精製した。シリカゲルカラムのシリカゲルには、あらかじめ10重量%のトリエチルアミンを含むヘキサンに5分間浸し、その後、ヘキサンで濯いだシリカゲルを用いた。精製後、化合物11を3.55g(3.20mmol)得た。
実施例3
高分子化合物10の合成
Figure 2014028912
化合物11 化合物6 高分子化合物10
フラスコ内の気体をアルゴンで置換した100mLフラスコに、化合物11を255.5mg(0.230mmol)、化合物6を120mg(0.231mmol)、トリス(2−トリル)ホスフィンを6.32mg(0.0208mmol)、脱水トルエン10mlを入れて均一溶液とした。得られたトルエン溶液を、アルゴンで30分バブリングした。その後、トルエン溶液に、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを3.17mg(0.00346mmol)加え、105℃で5時間攪拌した。その後、フラスコを室温までに冷却し、反応液をメタノール200mLと濃塩酸20mLの混合溶液に注いだ。析出したポリマーをろ過して回収し、得られたポリマーを、円筒ろ紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いて、メタノール、アセトン及びヘキサンでそれぞれ3時間洗浄した。円筒ろ紙内に残ったポリマーを、o−ジクロロベンゼン7mLに溶解させ、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム0.11gと水2.0mLを加え、90℃で3時間攪拌を行った。水層を除去後、有機層を水50mlで2回洗浄し、次いで、3wt%の酢酸水溶液50mLで2回洗浄し、次いで、水50mLで2回洗浄し、得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させた。ポリマーをろ過後、乾燥し、得られたポリマーをo−ジクロロベンゼン7mLに再度溶解し、アルミナ/シリカゲルカラムを通した。得られた溶液をメタノールに注いでポリマーを析出させ、ポリマーをろ過後、乾燥し、精製された高分子化合物10を108mg得た。GPCで測定した高分子化合物10の分子量はMn=36700、Mw=90000であった。
合成例8
(化合物12の合成)
Figure 2014028912
化合物4 化合物12

窒素気流雰囲気下ジムロートを取付けた100ml3口フラスコに化合物4(1.00g、1.45mmol)、bis(pinacolato)diboron(0.775g、3.05mmol)、酢酸カリウム(0.370g、3.77mmol)、PdCl2(dppf)(59.4mg、0.0727mmol)、無水1,4-ジオキサン100mlを室温下にて仕込み、100℃で5時間攪拌した。攪拌後反応液をセライトろ過し、ろ液をエバポレータで濃縮した。得られた粗精製物をシリカゲルカラムクロマトグラフィ(ヘキサン:酢酸エチル=5:1(vol:vol))で精製して目的の化合物12を0.90g得た。
実施例4
高分子化合物11の合成
Figure 2014028912
化合物12 化合物13
内部を窒素ガスで置換した100mLの四つ口フラスコにEuropean Journal of Organic Chemistry, 2011年, Issue 25, pages 4841-4852に記載のある方法で合成した化合物13(100.0mg、0.160mmol)、乾燥クロロベンゼン(4mL)を加えて30分間アルゴンでバブリングして脱気した。脱気後にトリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(7.31mg,0.0080mmol)、トリ-tert-ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(9.26mg、0.032mmol)、3Mリン酸カリウム水溶液(1.6mL)を加え、80℃に加熱した。このフラスコに、30分間アルゴンでバブリングして脱気した化合物12(124.8mg,0.159mmol)の乾燥THF(5mL)溶液を5分間かけて滴下し、80℃で3時間加熱した。続いて、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム二水和物(1.80g)とイオン交換水(10mL)を加え、90℃で2時間加熱した。得られた有機層をイオン交換水(30mL)で2回、10wt%酢酸水溶液(30mL)で2回、イオン交換水(30mL)で2回洗浄した後、メタノール(100mL)に注いで固体を析出させた。得られた固体をo−ジクロロベンゼン8mLに再溶解させて、カラムクロマトグラフィ(SiOおよびアルミナ)を通過させ、得られた溶液をメタノール(50mL)に注いで固体を析出させた。析出した固体をろ過、乾燥を行うことにより、下式で表される高分子化合物11を89mg得た。
Figure 2014028912
実施例5
高分子化合物12の合成
Figure 2014028912
化合物12 化合物14
内部を窒素ガスで置換した100mLの四つ口フラスコに国際公開特許公報WO2011052710A1号公報に記載のある方法で合成した化合物14(50.0mg、0.073mmol)、乾燥クロロベンゼン(4mL)を加えて30分間アルゴンでバブリングして脱気した。脱気後にトリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(3.35mg,0.0037mmol)、トリ-tert-ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(4.25mg、0.015mmol)、3Mリン酸カリウム水溶液(0.8mL)を加え、80℃に加熱した。このフラスコに、30分間アルゴンでバブリングして脱気した化合物12(57.4mg,0.073mmol)の乾燥THF(5mL)溶液を5分間かけて滴下し、80℃で3時間加熱した。続いて、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム二水和物(0.83g)とイオン交換水(8mL)を加え、90℃で2時間加熱した。得られた有機層をイオン交換水(20mL)で2回、10wt%酢酸水溶液(20mL)で2回、イオン交換水(20mL)で2回洗浄した後、メタノール(50mL)に注いで固体を析出させた。得られた固体をo−ジクロロベンゼン5mLに再溶解させて、カラムクロマトグラフィ(SiOおよびアルミナ)を通過させ、得られた溶液をメタノール(50mL)に注いで固体を析出させた。析出した固体をろ過、乾燥を行うことにより、下式で表される高分子化合物12を44mg得た。GPCで測定した高分子化合物12の分子量はMn=28000、Mw=229000であった。
Figure 2014028912
測定例1
(有機薄膜の吸光度の測定)
高分子化合物7〜12を0.75重量%の濃度でo−ジクロロベンゼンに溶解させ、塗布溶液を作製した。得られた塗布溶液をガラス基板上に、スピンコートで塗布した。塗布操作は23℃で行った。その後、大気下120℃の条件で5分間ベークし、膜厚約100nmの有機薄膜を得た。有機薄膜の吸収スペクトルを分光光度計(日本分光株式会社製、商品名:V−670)で測定した。測定したスペクトルより求めた吸収が最大になる波長を表7に示す。
測定例2
(有機薄膜のイオン化ポテンシャルの測定)
測定例1で作成した有機薄膜で、大気中光電子分光装置(理研計器製AC-2)を用いてイオン化ポテンシャルを測定した。得られたイオン化ポテンシャルを表7に示す。
(有機薄膜太陽電池の作製及び評価)
電子受容性化合物であるフラーレン誘導体C60PCBM(Phenyl C61-butyric acid methyl ester、フロンティアカーボン社製、商品名:E100(ロット番号11A0082−A))と、電子供与性化合物である高分子化合物7〜12とを、各々2:1の重量比で混合し、混合物の濃度が2.25重量%となるよう、o−ジクロロベンゼンに溶解させた。得られた溶液を、孔径0.5μmのテフロン(登録商標)フィルターで濾過し、塗布溶液1を調製した。
スパッタ法により150nmの厚みでITO膜を付けたガラス基板をオゾンUV処理して表面処理を行った。次に、PEDOT:PSS溶液(ヘレウス社製CleviosP VP AI4083)をスピンコートによりITO膜上に塗布し、大気中120℃で10分間加熱することにより、膜厚50nmの正孔注入層を作成した。次に、前記塗布溶液1を、スピンコートにより正孔注入層上に塗布し、有機薄膜太陽電池の機能層を得た。機能層の膜厚は100nmであった。その後、真空蒸着機によりカルシウムを膜厚4nmで蒸着し、次いで、アルミニウムを膜厚100nmで蒸着することにより、有機薄膜太陽電池を作製した。蒸着のときの真空度は、すべて1〜9×10-3Paであった。こうして得られた有機薄膜太陽電池の形状は、2mm×2mmの正方形であった。得られた有機薄膜太陽電池にソーラシミュレーター(分光計器製、商品名OTENTO-SUNII:AM1.5Gフィルター、放射照度100mW/cm2)を用いて一定の光を照射し、発生する電流と電圧を測定した。得られた、Voc(開放端電圧)を表7に示す。
Figure 2014028912
表7に示されるように、実施例の高分子化合物は、HOMOエネルギーに対応するイオン化ポテンシャルが深く、高い開放端電圧(Voc)を得ることができる。

Claims (5)

  1. 下記式(A)で表される繰り返し単位と、下記式(B1)〜(B6)で表される繰り返し単位のうちの少なくとも1つの繰り返し単位とを含む高分子化合物。
    Figure 2014028912

    Figure 2014028912
    〔式(A)、式(B1)〜(B6)中、複数個あるRは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基又は式(2)で表される基を表す。複数個あるRは、同一でも相異なっていてもよい。
    Figure 2014028912
    (2)
    (式(2)中、m1は、0〜6の整数を表し、m2は、0〜6の整数を表す。R’は、アルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。)〕
  2. 下記式(1a)〜(1f)で表される繰り返し単位のうちの少なくとも1つの繰り返し単位を含む高分子化合物。
    Figure 2014028912
    〔式(1a)〜(1f)中、複数個あるRは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基又は式(2)で表される基を表す。複数個あるRは、同一でも相異なっていてもよい。
    Figure 2014028912
    (2)
    (式(2)中、m1は、0〜6の整数を表し、m2は、0〜6の整数を表す。R’は、アルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。)〕
  3. 一対の電極と、該電極間に設けられた機能層とを有し、該機能層が電子受容性化合物と請求項1または2に記載の高分子化合物とを含む有機光電変換素子。
  4. 機能層中に含まれる電子受容性化合物の量が、前記高分子化合物100重量部に対して、10〜1000重量部である請求項3に記載の有機光電変換素子。
  5. 前記電子受容性化合物が、フラーレン誘導体である請求項3又は4に記載の有機光電変換素子。
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