JP7039285B2 - Photoelectric conversion element, optical area sensor using it, image sensor, image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、有機半導体で構成される光電変換層を備えた光電変換素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element provided with a photoelectric conversion layer made of an organic semiconductor.
近年、有機化合物からなる光電変換層を備え、信号読み出し用基板上に形成された構造を有する固体撮像素子の開発が進んでいる。
上記有機光電変換層の一般的な構造としては、p型有機半導体とn型有機半導体の二つの有機化合物を混合する事で形成されるバルクヘテロ構造が挙げられ、そこに第三の有機半導体を加える事で、より高い性能を発現する光電変換素子の開発が行われている。
特許文献1には、温度上昇に伴う暗電流の上昇を抑制した耐熱性に優れた光電変換層として、p型有機半導体とn型有機半導体のバルクヘテロ構造に加えて、少量の低分子有機化合物を含有する構造が開示されている。また、特許文献2には、電子受容性材料に加えて、2種以上の電子供与性の高分子有機材料を含有する構造とすることで、入射光の吸収効率を向上した光電変換層が開示されている。
In recent years, the development of a solid-state image sensor having a photoelectric conversion layer made of an organic compound and having a structure formed on a signal readout substrate has been progressing.
As a general structure of the organic photoelectric conversion layer, there is a bulk heterostructure formed by mixing two organic compounds of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor, and a third organic semiconductor is added thereto. As a result, photoelectric conversion elements that exhibit higher performance are being developed.
特許文献1及び2には、有機化合物からなる光電変換層として、p型有機半導体とn型有機半導体に加えて第三の化合物を添加することにより、温度上昇に伴う暗電流上昇を抑制する、或いは、入射光の吸収効率を上昇させることが開示されている。しかしながら、光電変換素子の常温における暗電流を低減する構成については開示がない。
本発明の課題は、p型有機半導体とn型有機半導体のバルクヘテロ構造からなる光電変換層を有する光電変換素子において、暗電流の低減を図り、該光電変換素子を用いて、低ノイズの光エリアセンサ、撮像素子、撮像装置を提供することにある。
In
An object of the present invention is to reduce dark current in a photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer having a bulk heterostructure of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor, and to use the photoelectric conversion element in a low noise optical area. It is an object of the present invention to provide a sensor, an image pickup element, and an image pickup apparatus.
本発明の第一は、少なくとも、アノードと、光電変換層と、カソードと、をこの順で有し、前記光電変換層が少なくとも第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体とからなる光電変換素子において、
前記第一の有機半導体と前記第二の有機半導体と前記第三の有機半導体はいずれも低分子有機半導体であり、
前記第一の有機半導体と前記第二の有機半導体のうち、一方がp型半導体であり、他方がn型半導体であり、
前記第一の有機半導体と前記第二の有機半導体と前記第三の有機半導体の質量比が、
第一の有機半導体≧第二の有機半導体≧第三の有機半導体
であり、
前記第一の有機半導体と前記第二の有機半導体と前記第三の有機半導体の合計を100質量%とした時、前記第二の有機半導体の含有量が6質量%以上であり、前記第三の有機半導体の含有量が3質量%以上であり、
前記第一の有機半導体の溶解度パラメータをSP1とし、前記第二の有機半導体の溶解度パラメータをSP2とし、前記第三の有機半導体の溶解度パラメータをSP3とする場合、前記SP1、前記SP2、前記SP3が、下記式(2)および(3)を満たすことを特徴とする。
|SP1-SP2|>|SP2-SP3| ・・・(2)
|SP1-SP3|>|SP2-SP3| ・・・(3)
本発明の第二は、光電変換素子を備えた複数の画素を有し、前記複数の画素が二次元に配置されている光エリアセンサであって、
前記光電変換素子は本発明第一の光電変換素子であることを特徴とする。
本発明の第三は、光電変換素子と前記光電変換素子に接続されている読み出し回路とを備えた複数の画素、及び、前記画素に接続されている信号処理回路、を有する撮像素子であって、
前記光電変換素子は本発明第一の光電変換素子であることを特徴とする。
本発明の第四は、複数のレンズを有する撮像光学部と、前記撮像光学部を通過した光を受光する撮像素子とを有し、前記撮像素子が本発明第三の撮像素子であることを特徴とする。
The first of the present invention has at least an anode, a photoelectric conversion layer, and a cathode in this order, and the photoelectric conversion layer has at least the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor. In the photoelectric conversion element consisting of
The first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor are all low molecular weight organic semiconductors.
Of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor, one is a p-type semiconductor and the other is an n-type semiconductor.
The mass ratio of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor is
The first organic semiconductor ≧ the second organic semiconductor ≧ the third organic semiconductor,
When the total of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor is 100% by mass, the content of the second organic semiconductor is 6% by mass or more, and the third. The content of organic semiconductors in Japan is 3% by mass or more .
When the solubility parameter of the first organic semiconductor is SP1, the solubility parameter of the second organic semiconductor is SP2, and the solubility parameter of the third organic semiconductor is SP3, the SP1, the SP2, and the SP3 , The following equations (2) and (3) are satisfied .
| SP1-SP2 |>| SP2-SP3 | ・ ・ ・ (2)
| SP1-SP3 |>| SP2-SP3 | ・ ・ ・ (3)
The second aspect of the present invention is an optical area sensor having a plurality of pixels including a photoelectric conversion element, and the plurality of pixels are arranged two-dimensionally.
The photoelectric conversion element is the first photoelectric conversion element of the present invention.
A third aspect of the present invention is an image pickup device having a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a readout circuit connected to the photoelectric conversion element, and a signal processing circuit connected to the pixels. ,
The photoelectric conversion element is the first photoelectric conversion element of the present invention.
The fourth aspect of the present invention is to have an image pickup optical unit having a plurality of lenses and an image pickup element that receives light that has passed through the image pickup optical unit, and the image pickup element is the third image pickup element of the present invention. It is a feature.
本発明によれば、光電変換層を3種類の低分子有機半導体で構成することによって、低暗電流で光電変換が可能な光電変換素子が提供される。 According to the present invention, a photoelectric conversion element capable of photoelectric conversion with a low dark current is provided by constituting the photoelectric conversion layer with three types of small molecule organic semiconductors.
本発明について、適宜図面を参照しながら実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また以下の説明において特段説明されていない部分や、図面において特段図示されなかった部分に関しては、当該技術分野の周知或いは公知の技術を適用することができる。 The present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate, but the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, a well-known or known technique in the technical field can be applied to a portion not particularly described in the following description or a portion not particularly shown in the drawings.
本発明の光電変換素子は、アノードとカソードとの間に、有機化合物からなる光電変換層を備えた光電変換素子の暗電流が低減されたものである。本発明に係る光電変換層は、p型有機半導体とn型有機半導体とを有し、さらに、第三の有機半導体を有することによって、暗電流を低減することを特徴としている。本発明において、光電変換層を構成するp型有機半導体とn型有機半導体及び第三の有機半導体はいずれも低分子有機半導体である。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the dark current of the photoelectric conversion element provided with the photoelectric conversion layer made of an organic compound between the anode and the cathode is reduced. The photoelectric conversion layer according to the present invention is characterized by having a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor, and further having a third organic semiconductor to reduce dark current. In the present invention, the p-type organic semiconductor, the n-type organic semiconductor, and the third organic semiconductor constituting the photoelectric conversion layer are all low molecular weight organic semiconductors.
(光電変換層)
先ず、本発明の特徴である光電変換層について説明する。
光電変換層は、光を吸収することでその光量に応じた電荷を発生する。本発明に係る光電変換層は、少なくとも、第一の有機半導体と、第二の有機半導体と、第三の有機半導体と、を含有し、これらの有機半導体はいずれも低分子有機半導体である。また、第一の有機半導体と第二の有機半導体とは、一方がp型有機半導体(以下、「p型半導体」と記す)であり、他方がn型有機半導体(以下、「n型半導体」と記す)である。具体的には、第一の有機半導体と第二の有機半導体のうち酸化電位が小さい方がp型半導体である。光電変換層中に、p型半導体とn型半導体を混合することにより、外部量子効率(感度)を向上させることができる。
(Photoelectric conversion layer)
First, the photoelectric conversion layer, which is a feature of the present invention, will be described.
By absorbing light, the photoelectric conversion layer generates an electric charge according to the amount of light. The photoelectric conversion layer according to the present invention contains at least a first organic semiconductor, a second organic semiconductor, and a third organic semiconductor, and all of these organic semiconductors are low molecular weight organic semiconductors. Further, one of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor is a p-type organic semiconductor (hereinafter referred to as "p-type semiconductor"), and the other is an n-type organic semiconductor (hereinafter referred to as "n-type semiconductor"). It is written as). Specifically, of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor, the one having the smaller oxidation potential is the p-type semiconductor. External quantum efficiency (sensitivity) can be improved by mixing a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in the photoelectric conversion layer.
本発明において、第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体の質量比は、第一の有機半導体≧第二の有機半導体≧第三の有機半導体である。
尚、第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体において、光電変換層における含有量(質量%)が等しい場合には、分子量が大きい有機半導体から順に第一、第二、第三とする。即ち、3種類の有機半導体が等しく含有されている場合には、最も分子量が大きい有機半導体が第一の有機半導体であり、最も分子量が小さい有機半導体が第三の有機半導体である。また、3種類の有機半導体のうち、2種類の含有量が等しく、残りの1種類の含有量が先の2種類よりも多い場合、上記2種類の有機半導体のうち、分子量が大きい方が第二の有機半導体で、小さい方が第三の有機半導体である。また、3種類の有機半導体のうち、2種類の含有量が等しく、残りの1種類の含有量が先の2種類よりも少ない場合、上記2種類の有機半導体のうち、分子量が大きい方が第一の有機半導体で、小さい方が第二の有機半導体である。
In the present invention, the mass ratio of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor is the first organic semiconductor ≧ the second organic semiconductor ≧ the third organic semiconductor.
When the content (mass%) in the photoelectric conversion layer is the same in the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor, the organic semiconductors having the largest molecular weights are listed first, second, and so on. Third. That is, when the three types of organic semiconductors are equally contained, the organic semiconductor having the largest molecular weight is the first organic semiconductor, and the organic semiconductor having the smallest molecular weight is the third organic semiconductor. When the content of two types of organic semiconductors is the same and the content of the remaining one type is higher than that of the previous two types, the one having the larger molecular weight is the first of the above two types of organic semiconductors. The second organic semiconductor, the smaller one is the third organic semiconductor. When the content of two types of organic semiconductors is the same and the content of the remaining one type is smaller than that of the previous two types, the one having the larger molecular weight is the first of the above two types of organic semiconductors. One organic semiconductor, the smaller one is the second organic semiconductor.
また、本発明の光電変換層は、少なくとも第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体とにより構成されていればよく、光電変換機能や本発明の効果である暗電流低減を損ねない範囲で、これら以外の材料、即ち他の材料を含んでいても構わない。他の材料の含有量は、第三の有機半導体の含有量以下であってよい。他の材料の含有量と第三の有機半導体の含有量とが等しい場合、分子量が大きい方が第三の有機半導体である。 Further, the photoelectric conversion layer of the present invention may be composed of at least a first organic semiconductor, a second organic semiconductor and a third organic semiconductor, and has a photoelectric conversion function and a dark current reduction which is an effect of the present invention. Materials other than these, that is, other materials may be contained as long as the above is not impaired. The content of the other material may be less than or equal to the content of the third organic semiconductor. When the content of the other material and the content of the third organic semiconductor are equal, the one having the larger molecular weight is the third organic semiconductor.
本発明の第三の有機半導体は、第一の有機半導体と第二の有機半導体のみで光電変換層を構成した際に生じる暗電流を抑制するために添加される。第二の有機半導体がp型半導体である場合、第三の有機半導体もp型半導体であることが好ましく、同様に、第二の有機半導体がn型半導体である場合、第三の有機半導体もn型半導体であることが好ましい。第一の有機半導体と第二の有機半導体のうち、酸化電位の小さい方がp型半導体であり、酸化電位の大きい方がn型半導体である。第三の有機半導体のp型またはn型は、その酸化電位で見積もることができる。第三の有機半導体の酸化電位が、第一の有機半導体と第二の有機半導体のうちp型半導体である化合物の酸化電位に近い場合は、第三の有機半導体はp型半導体である。同様に、第三の有機半導体の酸化電位が、第一の有機半導体と第二の有機半導体のうちn型半導体である化合物の酸化電位に近い場合は、第三の有機半導体はn型半導体である。これによって、第一の有機半導体よりも光電変換層中の含有量が少ない第二の有機半導体の光電変換機能(第二の有機半導体がp型半導体ならば電子ドナー機能、n型半導体ならば電子アクセプタ機能)を、第三の有機半導体によって補うこともできる。 The third organic semiconductor of the present invention is added in order to suppress the dark current generated when the photoelectric conversion layer is composed of only the first organic semiconductor and the second organic semiconductor. When the second organic semiconductor is a p-type semiconductor, it is preferable that the third organic semiconductor is also a p-type semiconductor. Similarly, when the second organic semiconductor is an n-type semiconductor, the third organic semiconductor is also It is preferably an n-type semiconductor. Of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor, the one having a smaller oxidation potential is a p-type semiconductor, and the one having a larger oxidation potential is an n-type semiconductor. The p-type or n-type of the third organic semiconductor can be estimated by its oxidation potential. When the oxidation potential of the third organic semiconductor is close to the oxidation potential of the compound which is a p-type semiconductor among the first organic semiconductor and the second organic semiconductor, the third organic semiconductor is a p-type semiconductor. Similarly, when the oxidation potential of the third organic semiconductor is close to the oxidation potential of the compound which is an n-type semiconductor among the first organic semiconductor and the second organic semiconductor, the third organic semiconductor is an n-type semiconductor. be. As a result, the photoelectric conversion function of the second organic semiconductor having a smaller content in the photoelectric conversion layer than that of the first organic semiconductor (electron donor function if the second organic semiconductor is a p-type semiconductor, electron if the second organic semiconductor is an n-type semiconductor). The acceptor function) can also be supplemented by a third organic semiconductor.
第三の有機半導体の薄膜の可視光領域(波長400nm乃至730nm)での吸収率が最大となる波長は、第一の有機半導体及び第二の有機半導体のそれぞれの可視光領域での吸収率が最大となる二つの波長の間の波長であることが好ましい。これによって、第一の有機半導体と第二の有機半導体の吸収帯の間の波長領域の吸収を第三の有機半導体で効率的に補うことができる。 The wavelength at which the absorption rate of the thin film of the third organic semiconductor in the visible light region (wavelength 400 nm to 730 nm) is maximum is the absorption rate of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor in the visible light region, respectively. It is preferably a wavelength between the two maximum wavelengths. Thereby, the absorption in the wavelength region between the absorption band of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor can be efficiently supplemented by the third organic semiconductor.
また、第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体の合計量を100質量%とした時、第二の有機半導体の含有量が6質量%以上であり、第三の有機半導体の含有量が3質量%以上である。本発明者等は、有機半導体の組成をこのような関係とすることで良好な特性を示す光電変換素子を作製できることを見出した。以下に詳細を説明する。 Further, when the total amount of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor and the third organic semiconductor is 100% by mass, the content of the second organic semiconductor is 6% by mass or more, and the third organic The content of the semiconductor is 3% by mass or more. The present inventors have found that a photoelectric conversion element exhibiting good characteristics can be produced by setting the composition of the organic semiconductor in such a relationship. Details will be described below.
従来の光電変換層は、p型半導体とn型半導体とが混合されたバルクへテロ構造である。すなわち、2種類の有機半導体を併用する二元構成である。この光電変換層は、第一の有機半導体と第二の有機半導体とを有する。そして、第一の有機半導体の質量比は第二の有機半導体の質量比よりも大きい。係る光電変換層では、第一の有機半導体と第二の有機半導体が、互いの吸収波長領域を補い合うことによって、パンクロマティックな吸収を得ることができる。そして係る構成では、第二の有機半導体の光電変換層中における含有量がより多い方が、十分なパンクロマティックな吸収を実現することができる。 The conventional photoelectric conversion layer has a bulk heterostructure in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are mixed. That is, it is a dual configuration in which two types of organic semiconductors are used in combination. This photoelectric conversion layer has a first organic semiconductor and a second organic semiconductor. The mass ratio of the first organic semiconductor is larger than the mass ratio of the second organic semiconductor. In such a photoelectric conversion layer, a panchromatic absorption can be obtained by complementing each other's absorption wavelength regions with the first organic semiconductor and the second organic semiconductor. In such a configuration, the higher the content of the second organic semiconductor in the photoelectric conversion layer, the more sufficient panchromatic absorption can be realized.
しかしながら、本発明者等は、第二の有機半導体の含有量が多くなるに従い、光電変換素子に電圧印加した際の暗電流が増大することを知見した。その理由は以下の通りであり、図面を用いて説明する。
図1は光電変換層における、基本的な暗電流の生成メカニズムを示す模式図であり、p型半導体とn型半導体の単分子における、HOMO(最高被占軌道)準位、LUMO(最低空軌道)準位の関係を図示している。暗電流はp型半導体のHOMO準位に存在する電子が、熱エネルギーによってn型半導体のLUMO準位へ移動することにより、発生すると考えられる。その際の電子移動のエネルギー障壁がΔE1である。
ところが、第一の有機半導体と第二の有機半導体との混合膜中では、それぞれが、例えば二量体を形成するなどして、同一化合物同士で会合している。その結果、HOMO準位、LUMO準位の状態密度がエネルギー的な広がりを形成する。
However, the present inventors have found that as the content of the second organic semiconductor increases, the dark current when a voltage is applied to the photoelectric conversion element increases. The reason is as follows, and will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic dark current generation mechanism in a photoelectric conversion layer, and is a HOMO (highest occupied molecular orbital) level and LUMO (lowest empty orbital) in a single molecule of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. ) The relationship of levels is illustrated. It is considered that the dark current is generated by the electrons existing in the HOMO level of the p-type semiconductor moving to the LUMO level of the n-type semiconductor by thermal energy. The energy barrier of electron transfer at that time is ΔE 1 .
However, in the mixed film of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor, the same compounds are associated with each other, for example, by forming a dimer. As a result, the density of states of the HOMO level and the LUMO level form an energetic spread.
図2は本発明に係る第三の有機半導体の効果を説明するための模式図である。図2中の実線は、第一の有機半導体と第二の有機半導体の二元構成の混合膜における、HOMO準位、LUMO準位の状態密度のエネルギー分布を模式的に表したものである。一方、破線は、第一の有機半導体、第二の有機半導体、第三の有機半導体の三元構成の混合膜における、状態密度エネルギー分布の模式図である。破線については後述する。図2において、第一の有機半導体がn型半導体であり、第二の有機半導体がp型半導体である。
二元構成の、状態密度のエネルギー的な広がりを考慮した電子移動のエネルギー障壁ΔE2は、単分子のエネルギー準位で考える際のΔE1よりも小さい。電子移動のエネルギー障壁ΔE2が小さいほど、暗電流は大きい。すなわち、状態密度のエネルギー的な広がりが広いほど、ΔE2が小さくなり、暗電流が発生し易くなる。光電変換層中での第二の有機半導体の含有量が多くなるほど、第二の有機半導体同士で会合しやすくなると考えられ、HOMO準位、LUMO準位の状態密度のエネルギー的な広がりも広がり易いと考えられる。そのため、第二の有機半導体の含有量が多くなるに従い暗電流が増大すると考えられる。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the effect of the third organic semiconductor according to the present invention. The solid line in FIG. 2 schematically shows the energy distribution of the density of states of the HOMO level and the LUMO level in the mixed film having a dual structure of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor. On the other hand, the broken line is a schematic diagram of the density of states energy distribution in the mixed film having a ternary structure of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor. The broken line will be described later. In FIG. 2, the first organic semiconductor is an n-type semiconductor, and the second organic semiconductor is a p-type semiconductor.
The energy barrier ΔE 2 of electron transfer in consideration of the energy spread of the density of states in the dual configuration is smaller than ΔE 1 when considered in terms of the energy level of a single molecule. The smaller the energy barrier ΔE 2 of electron transfer, the larger the dark current. That is, the wider the energetic spread of the density of states, the smaller ΔE 2 and the easier it is for dark current to occur. It is considered that the higher the content of the second organic semiconductor in the photoelectric conversion layer, the easier it is for the second organic semiconductors to associate with each other, and the energetic spread of the density of states of the HOMO level and the LUMO level also tends to spread. it is conceivable that. Therefore, it is considered that the dark current increases as the content of the second organic semiconductor increases.
上述の第二の有機半導体同士の会合による、HOMO準位、LUMO準位の状態密度のエネルギー的な広がりを形成する現象は、第二の有機半導体の含有量が、第一と第二の有機半導体の合計中、6質量%以上の場合に起こることが知られている。非特許文献1には、2種類の有機化合物の混合膜において、含有量の少ない有機化合物が6質量%以上で分子同士が会合することが記載されている。具体的には、6質量%以上の含有量において、該有機化合物の発光が長波長化して濃度消光する傾向が見え始めることが記載されている。発光が長波長化するということは、HOMO準位、LUMO準位の状態密度のエネルギーの広がりが大きくなり、実効的なバンドギャップが小さくなっているためと考えられる。
The phenomenon of forming the energetic spread of the density of states of the HOMO level and the LUMO level due to the association between the second organic semiconductors described above is that the content of the second organic semiconductor is the first and second organic. It is known to occur when the total amount of semiconductors is 6% by mass or more.
第二の有機半導体の含有量が多くなるに従い暗電流が増大することの対策として、本発明者等は、鋭意検討の結果、以下のことを発見した。それは、第二の有機半導体の含有量が6質量%以上の場合でも、第三の有機半導体を3質量%以上となるように混合することによって、第一の有機半導体と第二の有機半導体のみを混合した場合に比べて、暗電流を低減できるということである。尚、本発明において、第二の有機半導体の含有量が6質量%以上である、及び、第三の有機半導体の含有量が3質量%以上である、とは、いずれも第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体の合計量を100質量%とした時の含有量である。 As a countermeasure against the increase in dark current as the content of the second organic semiconductor increases, the present inventors have discovered the following as a result of diligent studies. Even when the content of the second organic semiconductor is 6% by mass or more, only the first organic semiconductor and the second organic semiconductor are mixed by mixing the third organic semiconductor so as to be 3% by mass or more. This means that the dark current can be reduced as compared with the case of mixing. In the present invention, the content of the second organic semiconductor is 6% by mass or more and the content of the third organic semiconductor is 3% by mass or more, both of which are the first organic semiconductors. It is the content when the total amount of the second organic semiconductor and the third organic semiconductor is 100% by mass.
以下に、本発明者等が考察した第三の有機半導体を混合する事による暗電流低減効果の機構について、図2の破線を用いて説明する。
破線で表された状態密度エネルギーは、実線で表された状態密度エネルギーに比べて、エネルギーの広がりが抑えられている。これは、第三の有機半導体をさらに有することで、第二の有機半導体同士の会合を抑制していると考えられる。その結果、各準位の状態密度のエネルギーの広がりを抑える事ができる。有機化合物の会合、二量体の形成、スタッキング等による相互作用は、特に同一の化合物同士で起こり易いため、異なる化合物が混在する場合はそれが阻害されるのである。また、第三の有機半導体による状態密度のエネルギーの広がりを抑える効果は第一の有機半導体に対してももたらされる。しかしながら、第一の有機半導体よりも含有量の少ない第二の有機半導体の方が、第三の有機半導体を混合する事により、分子同士が会合せずに、分散性の高い状態を実現し易い。その結果、第二の有機半導体の方が、各準位の状態密度のエネルギーの広がりを抑制しやすいと考えられる。
Hereinafter, the mechanism of the dark current reduction effect by mixing the third organic semiconductor considered by the present inventors will be described with reference to the broken line in FIG.
The density of states energy represented by the broken line has a smaller spread of energy than the density of states energy represented by the solid line. It is considered that this is because the third organic semiconductor is further contained to suppress the association between the second organic semiconductors. As a result, it is possible to suppress the spread of energy of the density of states of each level. Interactions due to organic compound association, dimer formation, stacking, etc. are particularly likely to occur between the same compounds, and thus are inhibited when different compounds are mixed. In addition, the effect of suppressing the spread of energy of the density of states by the third organic semiconductor is also brought to the first organic semiconductor. However, the second organic semiconductor having a lower content than the first organic semiconductor is more likely to realize a highly dispersible state by mixing the third organic semiconductor so that the molecules do not meet with each other. .. As a result, it is considered that the second organic semiconductor is more likely to suppress the spread of energy of the density of states of each level.
また、図2では、第一の有機半導体がn型半導体、第二の有機半導体がp型半導体の場合を例として説明したが、第一の有機半導体がp型半導体、第二の有機半導体がn型半導体の場合でも、同様に第三の有機半導体を混合する効果は発現すると考えられる。尚、第三の有機半導体を加えたことによる効果は、第一の有機半導体と第二の有機半導体の含有量が等しい場合でも得られる。 Further, in FIG. 2, the case where the first organic semiconductor is an n-type semiconductor and the second organic semiconductor is a p-type semiconductor has been described as an example, but the first organic semiconductor is a p-type semiconductor and the second organic semiconductor is a p-type semiconductor. Even in the case of an n-type semiconductor, it is considered that the effect of mixing the third organic semiconductor is similarly exhibited. The effect of adding the third organic semiconductor can be obtained even when the contents of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor are equal.
本発明では、第一、第二、第三の有機半導体の合計量を100質量%として、第三の有機半導体の含有量が3質量%以上で、暗電流が低減される効果を発現するが、好ましくは6質量%以上であり、特に好ましくは10質量%以上である。また、第二の有機半導体に対する、第三の有機半導体の質量比は0.12以上であることが好ましい。これが、第二の有機半導体の会合を、第三の有機半導体によって効果的に抑制する事ができるためである。係る質量比は、より好ましくは、0.24以上であり、特に好ましくは0.4以上である。 In the present invention, when the total amount of the first, second and third organic semiconductors is 100% by mass and the content of the third organic semiconductor is 3% by mass or more, the effect of reducing the dark current is exhibited. It is preferably 6% by mass or more, and particularly preferably 10% by mass or more. Further, the mass ratio of the third organic semiconductor to the second organic semiconductor is preferably 0.12 or more. This is because the association of the second organic semiconductor can be effectively suppressed by the third organic semiconductor. The mass ratio is more preferably 0.24 or more, and particularly preferably 0.4 or more.
本発明に係る光電変換素子は、第一、第二、第三の有機半導体の合計量を100質量%として、第二の有機半導体の含有量が10質量%以上であることがさらに好ましい。特許文献3には、二つの化合物を混合した場合、含有量の低い方の化合物を10質量%以上とする場合に、顕著に発光の濃度消光が起こることが記載されている。すなわち、10質量%以上とした場合に、より顕著な会合が起こる。したがって、本発明においても、第一、第二、第三の有機半導体の合計量を100質量%とした時、第二の有機半導体が10質量%以上の場合に、第二の有機半導体同士が顕著な会合をすると考えられ、第三の有機半導体の添加効果がより顕著になると考えられる。また、第二の有機半導体を10質量%以上とすることで、第二の有機半導体の吸収帯の光の吸収率を高くすることができる。つまり、本発明に係る光電変換素子の第二の有機半導体の含有量が10質量%以上であれば、暗電流を抑制しつつ、光の吸収率を高くすることができる。
In the photoelectric conversion element according to the present invention, the total amount of the first, second and third organic semiconductors is 100% by mass, and the content of the second organic semiconductor is more preferably 10% by mass or more.
さらに本発明において、第一、第二、第三の有機半導体の合計量を100質量%とした時、第二の有機半導体が17質量%以上であることが好ましい。第二の有機半導体の含有量が17質量%以上の場合は、第二の有機半導体同士が面で接する確率が特に高くなる。そのため、より顕著なスタッキングによる相互作用を起こしやすく、その分、第三の有機半導体を混合した際の暗電流低減効果が顕著となるためである。その理由を、図3を用いて説明する。 Further, in the present invention, when the total amount of the first, second and third organic semiconductors is 100% by mass, it is preferable that the second organic semiconductor is 17% by mass or more. When the content of the second organic semiconductor is 17% by mass or more, the probability that the second organic semiconductors come into contact with each other on the surface is particularly high. Therefore, more remarkable interaction due to stacking is likely to occur, and the dark current reduction effect when the third organic semiconductor is mixed becomes remarkable accordingly. The reason will be described with reference to FIG.
図3は、直方体に近似した第一の有機半導体と第二の有機半導体の二元構成の混合膜の模式図である。
低分子有機化合物の三次元的な形状は、有機化合物を形成する各原子の位置を三次元座標にプロットした際に、X、Y、Zの各座標軸の最大値と最小値の差が長さとなる辺を一辺とする直方体に近似することができる。同じ大きさの直方体を三次元空間に充填した場合、図3に示すように、ある直方体Aの各面に対して、X軸方向に2個、Y軸方向に2個、Z軸方向に2個、合計6個の直方体Bが面で隣接する。図3には、直方体Aとその重心に加え、直方体Aに対して面で隣接する6個の直方体Bとその重心が示されている。ここで、混合膜中の含有量(質量%)が少ない第二の有機半導体が直方体Aであるとする。6個の直方体Bが全て第一の有機半導体である場合、第二の有機半導体同士が面で接することはない。一方、直方体Aが第二の有機半導体であり、6個の直方体Bのうち、少なくとも一つが第二の有機半導体である場合、第二の有機半導体同士が面で接することになる。つまり、第一の有機半導体と第二の有機半導体の混合膜において、第二の有機半導体の含有量が1/6、即ちおおよそ17質量%以上の場合、該混合膜中で第二の有機半導体同士が面で接触し、強いスタッキングによる相互作用を起こし得ることが分かる。
FIG. 3 is a schematic diagram of a mixed film having a dual structure of a first organic semiconductor and a second organic semiconductor, which is similar to a rectangular parallelepiped.
The three-dimensional shape of a low-molecular-weight organic compound is the difference between the maximum and minimum values of the X, Y, and Z coordinate axes when plotting the position of each atom forming the organic compound in three-dimensional coordinates. It can be approximated to a rectangular parallelepiped whose side is one side. When a rectangular parallelepiped of the same size is filled in a three-dimensional space, as shown in FIG. 3, for each surface of a certain rectangular parallelepiped A, two in the X-axis direction, two in the Y-axis direction, and two in the Z-axis direction. A total of 6 rectangular parallelepipeds B are adjacent to each other on the surface. In FIG. 3, in addition to the rectangular parallelepiped A and its center of gravity, six rectangular parallelepipeds B adjacent to the rectangular parallelepiped A in a plane and their centers of gravity are shown. Here, it is assumed that the second organic semiconductor having a small content (% by mass) in the mixed film is the rectangular parallelepiped A. When all six rectangular parallelepipeds B are the first organic semiconductors, the second organic semiconductors do not come into contact with each other on the surface. On the other hand, when the rectangular parallelepiped A is the second organic semiconductor and at least one of the six rectangular parallelepipeds B is the second organic semiconductor, the second organic semiconductors come into contact with each other in a plane. That is, in the mixed film of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor, when the content of the second organic semiconductor is 1/6, that is, about 17% by mass or more, the second organic semiconductor in the mixed film. It can be seen that they can come into contact with each other on the surface and cause an interaction due to strong stacking.
低分子有機化合物を直方体に近似した場合、面で接する場合に顕著なスタッキングによる相互作用が起こり易いが、辺で接する場合も程度は小さいがスタッキングによる相互作用が引き起こされることが考えられる。ここで、直方体Aに面で接する6個の直方体に加えて、辺で接する直方体の数は12個であり、合計18個である。つまり、第二の有機半導体同士が面もしくは辺で接する条件は、混合膜中の含有量が1/18、即ちおおよそ6質量%以上と見積もられる。6質量%以上であれば、第三の有機半導体を混合することによる暗電流低減効果を発現することが分かった。これによって前述した、第二の有機半導体同士の会合による、HOMO準位、LUMO準位の状態密度のエネルギーの広がりを形成する現象は、第二の有機半導体の含有量が6質量%以上の場合に起こることが、非特許文献1における記載からのみならず、幾何学的な考察からも裏付けられた。
When a small molecule organic compound is approximated to a rectangular parallelepiped, remarkable stacking interaction is likely to occur when it is in contact with a plane, but it is considered that stacking interaction is caused in a small degree when it is in contact with a side. Here, in addition to the six rectangular parallelepipeds that are in contact with the rectangular parallelepiped A on the surface, the number of rectangular parallelepipeds that are in contact with the sides is 12, which is a total of 18. That is, it is estimated that the content in the mixed film is 1/18, that is, about 6% by mass or more, under the condition that the second organic semiconductors are in contact with each other on the surface or the side. It was found that when the content is 6% by mass or more, the dark current reduction effect by mixing the third organic semiconductor is exhibited. As a result, the phenomenon of forming the energy spread of the density of states of the HOMO level and the LUMO level due to the association between the second organic semiconductors described above occurs when the content of the second organic semiconductor is 6% by mass or more. This is supported not only by the description in
以上の事から、本発明において、第一、第二、第三の有機半導体の合計量を100質量%とした時、第二の有機半導体が6質量%以上、好ましくは17質量%以上で、第三の有機半導体を混合することによる暗電流低減効果が幾何学的な考察から裏付けられた。 From the above, in the present invention, when the total amount of the first, second and third organic semiconductors is 100% by mass, the second organic semiconductor is 6% by mass or more, preferably 17% by mass or more. The dark current reduction effect of mixing the third organic semiconductor was supported by geometrical considerations.
尚、上記のように、本発明においては、第一の有機半導体と第二の有機半導体の混合膜に第三の有機半導体を添加したことによる暗電流低減効果は、第一、第二、第三の有機半導体の合計量を100質量%とした時、第二の有機半導体が6質量%以上で得られる。また、暗電流低減効果は第三の有機半導体が3質量%以上で発現されるが、係る効果は、第二の有機半導体が第一の有機半導体と同量となるまで得られ、さらに、第三の有機半導体を第二の有機半導体と同量となるまで添加することができる。よって、本発明において、第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体の質量比は、
第一の有機半導体≧第二の有機半導体≧第三の有機半導体
となる。
As described above, in the present invention, the dark current reduction effect by adding the third organic semiconductor to the mixed film of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor is the first, second, and first. When the total amount of the three organic semiconductors is 100% by mass, the second organic semiconductor is obtained in an amount of 6% by mass or more. Further, the dark current reducing effect is exhibited when the amount of the third organic semiconductor is 3% by mass or more, but the effect is obtained until the amount of the second organic semiconductor becomes the same as that of the first organic semiconductor, and further, the third organic semiconductor is obtained. The third organic semiconductor can be added until the amount becomes the same as that of the second organic semiconductor. Therefore, in the present invention, the mass ratio of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor is determined.
The first organic semiconductor ≧ the second organic semiconductor ≧ the third organic semiconductor.
本発明に係る光電変換素子は、第三の有機半導体を3質量%以上有することで暗電流を低減する。この効果をさらに高めるためには、効果が高い第三の有機半導体を選定することが好ましい。効果の高い第三の有機半導体は、溶解度パラメータを用いることで選定することができる。 The photoelectric conversion element according to the present invention reduces dark current by having a third organic semiconductor in an amount of 3% by mass or more. In order to further enhance this effect, it is preferable to select a third organic semiconductor having a high effect. The highly effective third organic semiconductor can be selected by using the solubility parameter.
溶解度パラメータ(Solubility Parameter、以下、単に「SP値」と記載する)は、実験により得られた値もしくは計算により求めることができる。実験的には非特許文献3のように種々の溶媒への溶解性を調べることで実験的に決定することができる。実験値が利用できない場合は、SP値の理論的な推算方法としてFedors(非特許文献2)によって提案された方法を用いることができる。
The solubility parameter (Solubility Parameter, hereinafter simply referred to as "SP value") can be obtained by an experimental value or a calculation. It can be experimentally determined by examining the solubility in various solvents as in
Fedorsよって提案された方法では、以下のようにしてSP値を求める。まず、分子構造を、それを構成する原子又は原子団に分割する。分割された単位を以下分割単位と呼ぶ。非特許文献2に記載された表より、それぞれの分割単位に対して、蒸発エネルギー(ΔEk)(J/mol)及びモル体積(ΔVk)(cm3/mol)を求める。次にこれらの値を用い、以下の式(1)で定義される値をSP値とよぶ。この手法は、原子団寄与法と呼ばれる。SP値は凝集エネルギー密度の平方根であり、本発明において、単位は(J/cm3)1/2とする。 In the method proposed by Fedors, the SP value is obtained as follows. First, the molecular structure is divided into the atoms or atomic groups that compose it. The divided unit is hereinafter referred to as a divided unit. From the table described in Non-Patent Document 2, the evaporation energy (ΔE k ) (J / mol) and the molar volume (ΔV k ) (cm 3 / mol) are obtained for each division unit. Next, using these values, the value defined by the following equation (1) is called the SP value. This method is called the atomic group contribution method. The SP value is the square root of the cohesive energy density, and in the present invention, the unit is (J / cm 3 ) 1/2 .
しかし、この計算方法は、分子構造内に排除体積を有する化合物には、用いることができない。分子構造内に排除体積を有する化合物としては、C60等のフラーレン誘導体が挙げられる。これは球状の分子構造のフラーレン誘導体は分子構造の内部に排除体積があるため分子体積の決定が困難なことによる。同様に、カリックスアレーン誘導体やシクロデキストリン誘導体なども分子構造の内部に排除体積があるため計算は困難である。この計算方法では算出できない、フラーレン誘導体等のSP値には、実験値を用いることができる。SP値の実験値は非特許文献3に従い求めることができる。たとえばC60は非特許文献3により得られたSP値(σT)20.0を用いることができる。
非特許文献2に基づいた計算値と実験値を表1に示す。表1中、[1]は非特許文献1からの引用値であることを示し、[2]は非特許文献2からの引用値であることを示す。
However, this calculation method cannot be used for compounds having an exclusion volume in the molecular structure. Examples of the compound having an exclusion volume in the molecular structure include fullerene derivatives such as C60. This is because the fullerene derivative having a spherical molecular structure has an exclusion volume inside the molecular structure, so that it is difficult to determine the molecular volume. Similarly, calixarene derivatives and cyclodextrin derivatives are difficult to calculate because they have an excluded volume inside the molecular structure. Experimental values can be used for SP values of fullerene derivatives and the like, which cannot be calculated by this calculation method. The experimental value of the SP value can be obtained according to
Table 1 shows calculated values and experimental values based on Non-Patent Document 2. In Table 1, [1] indicates a citation value from
図4は、表1の実験値と計算値との関係を表した図である。計算値と実験値とは、線形性を示しており、両者の乖離は十分小さい。つまり、本明細書で示した式(1)のSP値は、実験値と同じように扱ってよい。表1においてピリジンとアニリンのように実験値と計算値で序列が逆転する場合はあるが、上記をプロットした図4を見ると全体としては、計算値と実験値は互いに近い値を示しており序列関係は大きく変化しない。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the experimental values and the calculated values in Table 1. The calculated value and the experimental value show linearity, and the dissociation between them is sufficiently small. That is, the SP value of the formula (1) shown in the present specification may be treated in the same manner as the experimental value. In Table 1, the order may be reversed between the experimental value and the calculated value as in pyridine and aniline, but when looking at FIG. 4 in which the above is plotted, the calculated value and the experimental value show values close to each other as a whole. The order relationship does not change significantly.
本明細書において、第一の有機半導体のSP値をSP1、第二の有機半導体のSP値をSP2、第三の有機半導体のSP値をSP3と表記する。 In the present specification, the SP value of the first organic semiconductor is referred to as SP1, the SP value of the second organic semiconductor is referred to as SP2, and the SP value of the third organic semiconductor is referred to as SP3.
この3つのSP値は次の関係を満たすことが好ましい。
|SP1-SP2|>|SP2-SP3| ・・・(2)
|SP1-SP3|>|SP2-SP3| ・・・(3)
It is preferable that these three SP values satisfy the following relationship.
| SP1-SP2 |>| SP2-SP3 | ・ ・ ・ (2)
| SP1-SP3 |>| SP2-SP3 | ・ ・ ・ (3)
この関係を満たすことで、第二の有機半導体は、第一の有機半導体と混和するよりも、第三の有機半導体と混和しやすくなる。同様に第三の有機半導体は、第二の有機半導体と混和しやすくなる。第二および第三の有機半導体が混和することで、第二の有機半導体同士の会合による、HOMO準位、LUMO準位の状態密度エネルギーの広がりが抑制される。これによって、たとえば図5に示すΔE12の減少が抑制され、暗電流が低減する。 By satisfying this relationship, the second organic semiconductor is more likely to be miscible with the third organic semiconductor than it is miscible with the first organic semiconductor. Similarly, the third organic semiconductor is easily miscible with the second organic semiconductor. By mixing the second and third organic semiconductors, the spread of the density of states energy of the HOMO level and the LUMO level due to the association between the second organic semiconductors is suppressed. As a result, for example, the decrease in ΔE 12 shown in FIG. 5 is suppressed, and the dark current is reduced.
第一乃至第三の有機半導体のSP値は、下記の関係であることがさらに好ましい。
|SP1-SP2|≧2.5 ・・・(4)
|SP1-SP3|≧2.5 ・・・(5)
|SP2-SP3|≦2.5 ・・・(6)
It is more preferable that the SP values of the first to third organic semiconductors have the following relationship.
| SP1-SP2 | ≧ 2.5 ・ ・ ・ (4)
| SP1-SP3 | ≧ 2.5 ・ ・ ・ (5)
| SP2-SP3 | ≦ 2.5 ・ ・ ・ (6)
上記のような関係になるように材料の組み合わせを考慮することで、第二、第三の有機半導体が、第一の有機半導体と混和するよりも優先的に混和した状態になる。 By considering the combination of materials so as to have the above-mentioned relationship, the second and third organic semiconductors are in a state of being preferentially miscible over the first organic semiconductor.
第二、第三の有機半導体の溶解度パラメータが以下の関係であることがより好ましい。
|SP2-SP3|≦1.0 ・・・(7)
It is more preferable that the solubility parameters of the second and third organic semiconductors have the following relationship.
| SP2-SP3 | ≦ 1.0 ・ ・ ・ (7)
第一の有機半導体がn型の場合は、第二と第三の有機半導体はp型が好ましい。一方、第一の有機半導体がp型の場合は、第二と第三の有機半導体はn型が好ましい。 When the first organic semiconductor is n-type, the second and third organic semiconductors are preferably p-type. On the other hand, when the first organic semiconductor is p-type, the second and third organic semiconductors are preferably n-type.
このような関係とすることで、主成分である第一の有機半導体の相が形成されやすく、かつ第二と第三の有機半導体が混ざり合った相が形成されやすいので好ましい。その際、主成分たる第一の有機半導体が、光電変換層の内部構造として相分離構造の主要構造となり、高い電荷分離効率と高い電荷輸送能を実現しやすくなると考えられる。このとき、熱励起による暗電流発生は、第二と第三の有機半導体の混和状態によって低減される。よって、暗電流は低下するとともに、高い光電変換特性を有する光電変換素子が得られる。 Such a relationship is preferable because the phase of the first organic semiconductor which is the main component is easily formed and the phase in which the second and third organic semiconductors are mixed is easily formed. At that time, it is considered that the first organic semiconductor, which is the main component, becomes the main structure of the phase separation structure as the internal structure of the photoelectric conversion layer, and it becomes easy to realize high charge separation efficiency and high charge transport ability. At this time, the generation of dark current due to thermal excitation is reduced by the mixed state of the second and third organic semiconductors. Therefore, the dark current is reduced and a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion characteristics can be obtained.
以上の通り、本発明によりS/N比のうちのNを低減することで暗電流を低減させることを説明した。 As described above, it has been described that the dark current is reduced by reducing N in the S / N ratio according to the present invention.
光電変換素子の解像度を向上させるためには、暗電流を低減することでS/NのNを下げるのみならず、Sを向上させることが好ましい。そのためには、第一、第二、第三の有機半導体のうち、p型及びn型の各1つの有機半導体で構成しうる、互いに異なる光電変換層を具備した二つの光電変換素子を構成した場合に、次の条件を備えることが好ましい。即ち、入射光に対する外部量子効率(EQE)の分光感度スペクトルにおけるピークがより長波長側に存在する光電変換素子が、前記ピークがより短波長側に存在する光電変換素子よりも、下記変換効率(η)が高いこと、である。 In order to improve the resolution of the photoelectric conversion element, it is preferable not only to lower the N of the S / N but also to improve the S by reducing the dark current. For that purpose, two photoelectric conversion elements having different photoelectric conversion layers, which can be composed of one p-type and one n-type organic semiconductor among the first, second, and third organic semiconductors, are configured. In some cases, it is preferable to have the following conditions. That is, the photoelectric conversion element in which the peak in the spectral sensitivity spectrum of the external quantum efficiency (EQE) with respect to the incident light exists on the longer wavelength side has the following conversion efficiency (that is, the photoelectric conversion element in which the peak exists on the shorter wavelength side). η) is high.
より具体的には、第一の有機半導体がn型半導体、第二および第三の有機半導体がp型半導体である場合、第一の有機半導体と第二の有機半導体で構成される光電変換素子1と、第一の有機半導体と第三の有機半導体で構成される光電変換素子2とを想定する。 More specifically, when the first organic semiconductor is an n-type semiconductor and the second and third organic semiconductors are p-type semiconductors, a photoelectric conversion element composed of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor. 1 and a photoelectric conversion element 2 composed of a first organic semiconductor and a third organic semiconductor are assumed.
そして、それぞれの光電変換素子の波長に対する外部量子効率(EQE)の値を示すスペクトルを得る。光電変換素子1において、スペクトルのピークが光電変換素子2よりも短波長側に現れる場合、光電変換素子2の変換効率が、光電変換素子1の変換効率よりも高いことが好ましい。
Then, a spectrum showing the value of the external quantum efficiency (EQE) with respect to the wavelength of each photoelectric conversion element is obtained. In the
入射光に対する吸収特性が優れていても、電荷分離する能力が低い場合には、感度の良い光電変換素子は得られない。吸収特性に並んで、光子から電子への変換効率もまた光電変換素子の感度を決める重要因子である。ここで、光電変換素子において、吸収した光子を電子に変換する確率として変換効率(η)を下記の関係とする。
変換効率(η)=EQE/光電変換層の吸収率 ・・・(8)
Even if the absorption characteristics for incident light are excellent, if the charge separation ability is low, a photoelectric conversion element with good sensitivity cannot be obtained. Along with the absorption characteristics, the photon-to-electron conversion efficiency is also an important factor in determining the sensitivity of the photoelectric conversion element. Here, in the photoelectric conversion element, the conversion efficiency (η) is defined as the following relationship as the probability of converting the absorbed photons into electrons.
Conversion efficiency (η) = Absorption rate of EQE / photoelectric conversion layer ... (8)
ここで、EQE(External Quantum Efficiency)は、量子効率(Quantaum Efficiency)とも呼ばれ、光電変換素子に入射した全光子数が電気信号に変わる効率のことである。このEQEが高いことが、光電変換素子としての感度が高いことを意味する。EQEは所定の電圧で印加された光電変換素子に、例えばA光源(標準光源)やXe光源からの光を分光もしくは分光せずに入射させ、電流値を測定して算出された電子数を、素子に入射させた全ての光子数で除して得られる値のことである。この時、入射光を分光して各波長のEQEを測定することで、EQEの分光感度スペクトルが得られ、ピーク(EQEピーク)が観察される。 Here, EQE (Quantum Quantum Efficiency) is also called quantum efficiency (Quantum Efficiency), and is the efficiency at which the total number of photons incident on the photoelectric conversion element is converted into an electric signal. A high EQE means that the sensitivity as a photoelectric conversion element is high. EQE is a photoelectric conversion element applied at a predetermined voltage, for example, light from an A light source (standard light source) or an Xe light source is incident on the photoelectric conversion element without spectroscopy or spectroscopy, and the number of electrons calculated by measuring the current value is calculated. It is a value obtained by dividing by the total number of photons incident on the element. At this time, by dispersing the incident light and measuring the EQE of each wavelength, the spectral sensitivity spectrum of the EQE is obtained, and the peak (EQE peak) is observed.
また、光電変換層の吸収率とは、光電変換素子に入射された全ての光子数のうち、光電変換層で光吸収される割合のことである。
よって、変換効率(η)とは、光電変換層において吸収された光子より電子に変換される割合である。
変換効率(η)は、例えば次のようにして求めることができる。透明基板上の有機光電変換素子であってアノード、カソードとも例えばIZOのような透明電極を用いることにより透過する画素部を形成することで、吸収率測定が可能になる。測定装置としては(株)島津製作所製「Solidspec3700」などを用いて可能である。この光電変換素子の光照射時に流れる光電流から暗電流を差し引くことで、光電変換電流が求められ、ここから電子数に換算し、照射光子数で除することでEQEを求めることができる。そして、このEQEと光電変換層の吸収率から前述の通り、変換効率(η)を求めることができる。
The absorption rate of the photoelectric conversion layer is the ratio of light absorption by the photoelectric conversion layer to the total number of photons incident on the photoelectric conversion element.
Therefore, the conversion efficiency (η) is the rate at which photons absorbed in the photoelectric conversion layer are converted into electrons.
The conversion efficiency (η) can be obtained, for example, as follows. By using a transparent electrode such as IZO for both the anode and the cathode, which is an organic photoelectric conversion element on a transparent substrate, a pixel portion that transmits light can be formed, so that the absorption rate can be measured. As a measuring device, "Solidspec 3700" manufactured by Shimadzu Corporation can be used. The photoelectric conversion current is obtained by subtracting the dark current from the light current flowing during the light irradiation of the photoelectric conversion element, and the EQE can be obtained by converting it into the number of electrons and dividing by the number of irradiation photons. Then, as described above, the conversion efficiency (η) can be obtained from the EQE and the absorption rate of the photoelectric conversion layer.
本発明における光電変換層は第一、第二、第三の有機半導体を有し、これら有機半導体としての組合せは、二種のp型半導体と一種のn型半導体とを用いた場合と、二種のn型半導体と一種のp型半導体とを用いた場合である。よって、p型半導体、n型半導体より一種ずつ選択した組み合わせは二通りである。即ち、第一、第二、第三の有機半導体として、二種のp型半導体と一種のn型半導体とを用いた場合には、p型が互いに異なる二種の光電変換層が、二種のn型半導体と一種のp型半導体とを用いた場合には、n型が互いに異なる二種の光電変換層が考えられる。第一、第二、第三の有機半導体より選択される二通りの組み合わせで構成可能な光電変換層を具備した光電変換素子は、それぞれの吸収波長帯と変換効率からなる分光感度特性を有することになる。 The photoelectric conversion layer in the present invention has first, second, and third organic semiconductors, and the combination as these organic semiconductors is the case where two types of p-type semiconductors and one type of n-type semiconductors are used, and two. This is a case where a kind of n-type semiconductor and a kind of p-type semiconductor are used. Therefore, there are two combinations selected one by one from the p-type semiconductor and the n-type semiconductor. That is, when two types of p-type semiconductors and one type of n-type semiconductors are used as the first, second, and third organic semiconductors, two types of photoelectric conversion layers having different p-types are used. When the n-type semiconductor and a kind of p-type semiconductor are used, two kinds of photoelectric conversion layers having different n-types can be considered. A photoelectric conversion element provided with a photoelectric conversion layer that can be configured by two combinations selected from the first, second, and third organic semiconductors has a spectral sensitivity characteristic consisting of each absorption wavelength band and conversion efficiency. become.
有機半導体の吸収帯を表す指標として、有機半導体の吸収ピーク波長とバンドギャップを用いることができる。真空蒸着により成膜やスピンコート法などで100nm以下程度の単一材料からなる薄膜を作製し、その薄膜の吸収スペクトルを測定することで吸収ピーク波長や光学吸収端を求めることが可能である。ここでいう吸収ピーク波長は吸収帯として最も長波長側にあるピークを指し、第一吸収帯のピーク波長のことである。その吸収帯における吸収ピーク波長は、例えば一重ピークのものはそのピークを、多重ピーク(振動構造ともいう)のものは最も長波長のピークを指す。一方で光学吸収端はバンドギャップに相当する。 The absorption peak wavelength and band gap of the organic semiconductor can be used as an index representing the absorption band of the organic semiconductor. It is possible to obtain the absorption peak wavelength and the optical absorption edge by producing a thin film made of a single material of about 100 nm or less by vacuum deposition or spin coating method and measuring the absorption spectrum of the thin film. The absorption peak wavelength here refers to the peak on the longest wavelength side of the absorption band, and is the peak wavelength of the first absorption band. As for the absorption peak wavelength in the absorption band, for example, a single peak indicates the peak, and a multiple peak (also referred to as an oscillating structure) indicates the longest wavelength peak. On the other hand, the optical absorption end corresponds to the band gap.
吸収特性とEQEの分光特性は対応するので、バンドギャップが小さい有機半導体からなる光電変換素子ほど、吸収ピーク波長も長波長側にあり、それに対応するEQEピーク波長も長波長側にある。EQEピーク波長が不明瞭な場合は、吸収率が高くなるように有機半導体の含有量を調節した光電変換素子を作製すれば判定は可能である。仮に、いかなる含有量でもEQEピーク波長を確認できない場合には、EQEの分光特性として長波長側から短波長側に見た時にEQE値が上昇傾向に転ずる屈曲点を指標とし、該屈曲点をEQEピーク波長と同様の指標として考えることができる。 Since the absorption characteristics and the spectral characteristics of EQE correspond to each other, the photoelectric conversion element made of an organic semiconductor having a smaller bandgap has an absorption peak wavelength on the long wavelength side, and the corresponding EQE peak wavelength is also on the long wavelength side. When the EQE peak wavelength is unclear, it can be determined by manufacturing a photoelectric conversion element in which the content of the organic semiconductor is adjusted so that the absorption rate is high. If the EQE peak wavelength cannot be confirmed at any content, the bending point at which the EQE value turns upward when viewed from the long wavelength side to the short wavelength side is used as an index as the spectral characteristic of EQE, and the bending point is used as the EQE. It can be considered as an index similar to the peak wavelength.
光電変換層における第一、第二、第三の有機半導体の間では、光を吸収し励起状態となった有機半導体から電荷分離が起こるまでの間にエネルギー移動過程が発生する。励起エネルギー移動は主にフェルスター型(蛍光共鳴)エネルギー移動と呼ばれる現象である。光吸収した有機半導体の発光スペクトルとそのエネルギーを受け取る別の有機半導体の吸収スペクトルに重なりがあると発生し、重なりが大きいほどエネルギーは移動しやすくなる。そして、エネルギーは高い状態から低い状態へと移動しやすい。つまり励起エネルギーは光吸収した有機半導体からより長波長側に吸収帯を持つ有機半導体に向かって移動する。特に、そのエネルギー受容体となる有機半導体は吸収確率が高いことが好ましく、つまりはモル吸光係数が大きいことが好ましい。このエネルギー移動過程は電子移動過程とならび非常に時定数の小さい現象である。 An energy transfer process occurs between the first, second, and third organic semiconductors in the photoelectric conversion layer until charge separation occurs from the organic semiconductor that has been excited by absorbing light. Excitation energy transfer is a phenomenon mainly called Förster type (fluorescence resonance) energy transfer. It occurs when there is an overlap between the emission spectrum of an organic semiconductor that has absorbed light and the absorption spectrum of another organic semiconductor that receives the energy, and the larger the overlap, the easier it is for energy to move. And energy tends to move from a high state to a low state. That is, the excitation energy moves from the light-absorbed organic semiconductor toward the organic semiconductor having an absorption band on the longer wavelength side. In particular, the organic semiconductor serving as the energy receptor preferably has a high absorption probability, that is, it preferably has a large molar extinction coefficient. This energy transfer process is a phenomenon with a very small time constant as well as the electron transfer process.
光励起された有機半導体の持つ励起エネルギーはバンドギャップの小さい有機半導体に向けて移動する。そして励起エネルギーの移動した先のp型半導体又はn型半導体を含んだ一対のp型-n型半導体の間で電荷分離が起こる。この組み合わせが、長波長側に感度を有する有機半導体の組み合わせであることが望ましい。その組み合わせが、第一、第二、第三の有機半導体からなる光電変換層を有する光電変換素子の中に含まれることで、さまざまな波長で吸収された光励起エネルギーを、変換効率の高いp型-n型半導体の組み合わせに集めて電荷分離させることが可能になる。即ち、第一、第二、第三の有機半導体から選択される、一対のp型-n型半導体から構成される、互いに異なる光電変換層を備えた2つの光電変換素子において、短波長側にEQEピークを持つ光電変換素子より長波長側にEQEピークを有する光電変換素子の変換効率(η)が高いことで、高い感度の光電変換素子が得られるのである。これにより光電変換素子の感度が吸収を持つ全波長域にわたって向上し、S/N比を向上させることができる。 The excitation energy of the photoexcited organic semiconductor moves toward the organic semiconductor having a small bandgap. Then, charge separation occurs between the pair of p-type-n-type semiconductors including the p-type semiconductor or the n-type semiconductor to which the excitation energy has been transferred. It is desirable that this combination is a combination of organic semiconductors having sensitivity on the long wavelength side. The combination is contained in a photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer made of first, second, and third organic semiconductors, so that the photoexciting energy absorbed at various wavelengths can be converted into a p-type having high conversion efficiency. It is possible to collect and separate charges in a combination of -n-type semiconductors. That is, in two photoelectric conversion elements having different photoelectric conversion layers, which are selected from the first, second, and third organic semiconductors and are composed of a pair of p-type-n-type semiconductors, on the short wavelength side. Since the conversion efficiency (η) of the photoelectric conversion element having the EQE peak on the longer wavelength side than the photoelectric conversion element having the EQE peak is higher, the photoelectric conversion element having high sensitivity can be obtained. As a result, the sensitivity of the photoelectric conversion element can be improved over the entire wavelength range having absorption, and the S / N ratio can be improved.
変換効率の高いp型-n型半導体の各含有量はエネルギー受容体として機能する必要があるため、いずれの有機半導体であっても少なくとも3質量%以上であり、好ましくは6質量%以上である。エネルギー移動における受容体として、有機半導体のモル吸光係数は少なくも1000molL-1cm-1であり、より好ましくは10000molL-1cm-1以上である。例えば、p型半導体として例示されている有機半導体群の第一吸収帯は可視光域にあり、そのモル吸光係数は少なくとも1000molL-1cm-1以上である。一方で、フラーレンC60などは可視域に吸収帯を持つものの、モル吸光係数が1000molL-1cm-1未満でありエネルギー受容体として有効に機能しない。 Since each content of the p-type-n-type semiconductor having high conversion efficiency needs to function as an energy receptor, it is at least 3% by mass or more, preferably 6% by mass or more in any organic semiconductor. .. As a receptor for energy transfer, the molar extinction coefficient of an organic semiconductor is at least 1000 molL -1 cm -1 , more preferably 10000 molL -1 cm -1 or more. For example, the first absorption band of the organic semiconductor group exemplified as a p-type semiconductor is in the visible light region, and its molar extinction coefficient is at least 1000 molL -1 cm -1 or more. On the other hand, although fullerene C60 and the like have an absorption band in the visible region, their molar absorption coefficient is less than 1000 molL -1 cm -1 , and they do not function effectively as energy receptors.
本発明における第一、第二、第三の有機半導体はいずれも、低分子有機化合物である。有機化合物は分子によって低分子、オリゴマー分子、高分子に大別されるが、高分子とオリゴマー分子は国際純正応用化学連合(IUPAC)高分子命名法委員会が以下の様に定義している。
高分子、ポリマー分子(macromolecule,polymer molecule):分子質量の大きい分子で、相対分子質量の小さい分子から実質的又は概念的に得られる単位の多数回の繰返しで構成された構造をもつものをいう。
オリゴマー分子(oligomer molecule):中程度の大きさの相対分子質量をもつ分子で、相対分子質量の小さい分子から実質的或いは概念的に得られる単位の少数回の繰返しで構成された構造を持つものをいう。
The first, second, and third organic semiconductors in the present invention are all small molecule organic compounds. Organic compounds are roughly classified into small molecules, oligomer molecules, and polymers depending on the molecule. Polymers and oligomer molecules are defined by the International Union of Pure and Applied Chemicals (IUPAC) Polymer Naming Method Committee as follows.
Polymer, polymer molecule (macromolecule, polymer molecule): A molecule with a large molecular mass, which has a structure composed of a large number of repetitions of a unit obtained substantially or conceptually from a molecule having a small relative molecular mass. ..
Oligomer molecule: A molecule with a medium-sized relative molecular mass that has a structure composed of a small number of repetitions of units substantially or conceptually obtained from a molecule with a small relative molecular mass. To say.
本発明における第一、第二、第三の有機半導体は、上記高分子、ポリマー分子、オリゴマー分子の定義にあてはまらない分子である。即ち、繰り返し単位の繰り返し数が少数回以下である3以下、好ましくは1である分子である。
例えば、後述するフラーレンは閉殻空洞状の化合物であるが、1つの閉殻構造を1つの繰り返し単位と見なし、例えばフラーレンC60は、繰り返し数が1であるため、低分子である。
また、高分子には主に化学合成して得られる合成高分子と、自然界に存在する天然高分子とがある。天然高分子には分子量が単分散の高分子が存在するが、合成高分子は、一般的に繰り返し単位の違いによる分子量の分散性を有する。一方、本発明に用いられる有機半導体は天然に存在せず、合成して得られる分子であるが、繰り返し単位の違いによる分子量の分散性は有さない。
The first, second, and third organic semiconductors in the present invention are molecules that do not meet the above definitions of polymer, polymer molecule, and oligomer molecule. That is, it is a molecule having 3 or less, preferably 1 in which the number of repetitions of the repeating unit is a small number or less.
For example, fullerene described later is a closed-shell hollow compound, but one closed-shell structure is regarded as one repeating unit. For example, fullerene C60 is a small molecule because the number of repetitions is one.
In addition, there are two types of macromolecules: synthetic macromolecules obtained by chemical synthesis and natural macromolecules that exist in nature. A polymer having a monodisperse in molecular weight exists in a natural polymer, but a synthetic polymer generally has a dispersibility in molecular weight due to a difference in repeating units. On the other hand, the organic semiconductor used in the present invention does not exist naturally and is a molecule obtained by synthesis, but it does not have the dispersibility of the molecular weight due to the difference in the repeating unit.
このような分散性の有無は、光電変換素子における光電変換層に用いた場合に、重要な違いを生じる。分散性を有する高分子化合物を光電変換層に用いると、光電変換層に含まれる化合物のHOMO準位、LUMO準位の状態密度のエネルギー的な広がりが大きくなり、p型半導体のHOMO準位とn型半導体のLUMO準位間のエネルギー障壁が制御できなくなる。その結果、電界を印加した際に暗電流を発生させる準位が形成されてしまう。よって、本発明において、光電変換層には、繰り返し単位の違いによる分散性を有さない、繰り返し単位が3以下、好ましくは1である低分子有機半導体、より好ましくは昇華性を有する分子量1500以下の低分子有機半導体を用いる。 The presence or absence of such dispersibility makes an important difference when used for the photoelectric conversion layer in the photoelectric conversion element. When a dispersible polymer compound is used for the photoelectric conversion layer, the energy spread of the HOMO level and LUMO level of the compound contained in the photoelectric conversion layer becomes large, and the HOMO level of the p-type semiconductor becomes large. The energy barrier between the LUMO levels of the n-type semiconductor becomes uncontrollable. As a result, a level that generates a dark current when an electric field is applied is formed. Therefore, in the present invention, the photoelectric conversion layer does not have dispersibility due to the difference in the repeating unit, is a small molecule organic semiconductor having a repeating unit of 3 or less, preferably 1 and more preferably a molecular weight of 1500 or less having sublimation property. Uses small molecule organic semiconductors from.
本発明は、第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体の酸化電位、還元電位関係に因らず、第三の有機半導体の混合により、第二の有機半導体のHOMO準位、LUMO準位のエネルギーの広がりが抑制される。よって、本発明においては暗電流低減効果が発現するが、以下に説明する酸化電位、還元電位関係を満たす場合に、暗電流低減効果が大きくなり易いため好ましい。 In the present invention, the HOMO quasi of the second organic semiconductor is obtained by mixing the third organic semiconductor regardless of the oxidation potential and reduction potential relationship between the first organic semiconductor, the second organic semiconductor and the third organic semiconductor. The spread of energy at the rank and LUMO level is suppressed. Therefore, although the dark current reducing effect is exhibited in the present invention, it is preferable because the dark current reducing effect tends to be large when the oxidation potential and reduction potential relationships described below are satisfied.
図5に、本発明において、第一の有機半導体がn型半導体、第二の有機半導体がp型半導体である場合の、第三の有機半導体との好ましい酸化電位、還元電位関係を示す。酸化電位はそれぞれの有機半導体のHOMO準位に相当する。還元電位はそれぞれの有機半導体のLUMO準位に相当する。尚、酸化還元電位は溶液中の分子と電極間でのポテンシャルエネルギー差であり、分子単独の物性値である。図5の構成では、各電位の関係が以下の式を満たすことが好ましい。 FIG. 5 shows a preferable oxidation potential and reduction potential relationship with the third organic semiconductor when the first organic semiconductor is an n-type semiconductor and the second organic semiconductor is a p-type semiconductor in the present invention. The oxidation potential corresponds to the HOMO level of each organic semiconductor. The reduction potential corresponds to the LUMO level of each organic semiconductor. The redox potential is the potential energy difference between the molecule in the solution and the electrode, and is the physical property value of the molecule alone. In the configuration of FIG. 5, it is preferable that the relationship between the potentials satisfies the following equation.
Eox2≦Eox3 ・・・(9)
Ered1≧Ered3 ・・・(10)
Eox2:第二の有機半導体の酸化電位
Eox3:第三の有機半導体の酸化電位
Ered1:第一の有機半導体の還元電位
Ered3:第三の有機半導体の還元電位
Exo2≤Exo3 ... (9)
Red1 ≧ Red3 ・ ・ ・ (10)
Exo2: Oxidation potential of the second organic semiconductor Exo3: Oxidation potential of the third organic semiconductor Red1: Reduction potential of the first organic semiconductor Red3: Reduction potential of the third organic semiconductor
上記(9)、(10)式を満たす場合、第一の有機半導体のLUMO準位と第二の有機半導体のHOMO準位で形成するΔE12に対して、第一の有機半導体のLUMO準位と第三の有機半導体のHOMO準位で形成するΔE13が等しい、或いは大きくなる。同様に、ΔE12に対して、第三の有機半導体のLUMO準位と第二の有機半導体のHOMO準位で形成するΔE23が等しい、或いは大きくなる。その結果、第一の有機半導体と第二の有機半導体との間で発生する暗電流に対して、第三の有機半導体と他の有機半導体との間で発生する暗電流への寄与を減らす事ができる。
When the above equations (9) and (10) are satisfied, the LUMO level of the first organic semiconductor is relative to ΔE 12 formed by the LUMO level of the first organic semiconductor and the HOMO level of the second organic semiconductor. And ΔE 13 formed at the HOMO level of the third organic semiconductor are equal to or larger than each other. Similarly, for ΔE 12 , ΔE 23 formed by the LUMO level of the third organic semiconductor and the HOMO level of the second organic semiconductor is equal to or larger than
また、図6に、本発明において、第一の有機半導体がp型半導体、第二の有機半導体がn型半導体である場合の、第三の有機半導体との好ましい酸化電位、還元電位関係を示す。図6の構成では、各電位の関係が以下の式を満たすことが好ましい。 Further, FIG. 6 shows a preferable oxidation potential and reduction potential relationship with the third organic semiconductor when the first organic semiconductor is a p-type semiconductor and the second organic semiconductor is an n-type semiconductor in the present invention. .. In the configuration of FIG. 6, it is preferable that the relationship between the potentials satisfies the following equation.
Eox1≦Eox3 ・・・(11)
Ered2≧Ered3 ・・・(12)
Eox1:第一の有機半導体の酸化電位
Eox3:第三の有機半導体の酸化電位
Ered2:第一の有機半導体の還元電位
Ered3:第三の有機半導体の還元電位
Exo1≤Exo3 ... (11)
Red2 ≧ Red3 ・ ・ ・ (12)
Exo1: Oxidation potential of the first organic semiconductor Exo3: Oxidation potential of the third organic semiconductor Red2: Reduction potential of the first organic semiconductor Red3: Reduction potential of the third organic semiconductor
このような酸化電位、還元電位関係が好ましい理由は、前述した、第一の有機半導体がn型半導体、第二の有機半導体がp型半導体である場合と同様、ΔE12≦ΔE13、ΔE12≦ΔE23となることが好ましいためである。 The reason why such an oxidation potential and reduction potential relationship is preferable is that ΔE 12 ≤ ΔE 13 and ΔE 12 are the same as in the case where the first organic semiconductor is an n-type semiconductor and the second organic semiconductor is a p-type semiconductor. This is because it is preferable that ≦ ΔE 23 .
本発明において、第一の有機半導体は、n型半導体でもp型半導体でも良いが、第一の有機半導体としてn型半導体であるフラーレンやその誘導体を用いた場合、耐熱性が安定しやすく、取り扱いが容易であることから好ましい。 In the present invention, the first organic semiconductor may be an n-type semiconductor or a p-type semiconductor, but when fullerene or a derivative thereof, which is an n-type semiconductor, is used as the first organic semiconductor, the heat resistance is easily stabilized and it is handled. Is preferable because it is easy to use.
(p型半導体)
本発明において用いられるp型半導体とは、電子ドナー性有機半導体であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物である。p型半導体は、パンクロマティック吸収帯を得るために吸収波長が450nm乃至700nmの可視域にあることが好ましい。特にパンクロマティックな吸収帯を得るためには500nm乃至650nmにあることが好ましい。これにより、緑色領域以外にも450nm乃至470nm付近の青領域や600nm乃至630nm付近の赤領域の感度も一緒に向上させることができ、パンクロマティック性が向上する。
(P-type semiconductor)
The p-type semiconductor used in the present invention is an electron donor organic semiconductor, which is mainly represented by a hole transporting organic compound and has a property of easily donating electrons. The p-type semiconductor preferably has an absorption wavelength in the visible region of 450 nm to 700 nm in order to obtain a panchromatic absorption band. In particular, in order to obtain a panchromatic absorption band, it is preferably at 500 nm to 650 nm. As a result, in addition to the green region, the sensitivity of the blue region around 450 nm to 470 nm and the red region around 600 nm to 630 nm can be improved together, and the panchromaticity is improved.
p型半導体は、下記一般式[1]乃至[5]で示される化合物、キナクリドン誘導体、3H-フェノキサジン-3-オン誘導体のいずれかであることが好ましい。尚、本明細書において、「環を形成する」とは、特に断らない限り、形成する環構造を限定しない。例えば、5員環を縮環させても、6員環を縮環させても、7員環を縮環させてもよい。縮環する環構造は、芳香環であっても、脂環構造であってもよい。 The p-type semiconductor is preferably any of the compounds represented by the following general formulas [1] to [5], quinacridone derivatives, and 3H-phenoxazine-3-one derivatives. In the present specification, "forming a ring" does not limit the ring structure to be formed unless otherwise specified. For example, the 5-membered ring may be condensed, the 6-membered ring may be condensed, or the 7-membered ring may be condensed. The ring structure to be condensed may be an aromatic ring or an alicyclic ring structure.
一般式[1] General formula [1]
一般式[1]において、R1は水素原子、ハロゲン原子、置換或いは無置換のアルキル基、置換或いは無置換のアルコキシ基、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のアミノ基、シアノ基を表す。
n1、n2、n3はそれぞれ独立に0乃至4の整数を表す。
X1乃至X3は窒素原子、硫黄原子、酸素原子、置換基を有してもよい炭素原子のいずれかを表す。
Ar1及びAr2は置換或いは無置換のアリーレン基、又は置換或いは無置換の二価の複素環基からそれぞれ独立に選ばれる。Ar1及びAr2が複数ある場合はそれぞれ同じでも異なってもよく、Ar1及びAr2はX2或いはX3が炭素原子の場合、互いに結合して環を形成してもよい。
Z1はハロゲン原子、シアノ基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のヘテロアリール基又は以下の一般式[1-1]乃至[1-9]で表される置換基のいずれかを表す。置換或いは無置換のビニル基は、シアノ基を有するビニル基、シアノ基を2つ有するビニル基であってよい。
In the general formula [1], R 1 is a hydrogen atom, a halogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted heterocyclic group, a substituent. Alternatively, it represents an unsubstituted vinyl group, a substituted or unsubstituted amino group, or a cyano group.
n 1 , n 2 , and n 3 independently represent integers of 0 to 4, respectively.
X 1 to X 3 represent any of a nitrogen atom, a sulfur atom, an oxygen atom, and a carbon atom which may have a substituent.
Ar 1 and Ar 2 are independently selected from a substituted or unsubstituted arylene group or a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group, respectively. When there are a plurality of Ar 1 and Ar 2 , they may be the same or different, and when X 2 or X 3 is a carbon atom, Ar 1 and Ar 2 may be bonded to each other to form a ring.
Z 1 is a halogen atom, a cyano group, a substituted or unsubstituted vinyl group, a substituted or unsubstituted heteroaryl group, or any of the substituents represented by the following general formulas [1-1] to [1-9]. Represents. The substituted or unsubstituted vinyl group may be a vinyl group having a cyano group and a vinyl group having two cyano groups.
一般式[1-1]乃至[1-9]において、R521乃至R588は水素原子、ハロゲン原子、置換或いは無置換のアルキル基、置換或いは無置換のアルコキシ基、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のアミノ基、シアノ基からそれぞれ独立に選ばれる。*は炭素原子との結合位置を表す。 In the general formulas [1-1] to [1-9], R 521 to R 588 are a hydrogen atom, a halogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, and a substituted or unsubstituted aryl group. , A substituted or unsubstituted heterocyclic group, a substituted or unsubstituted vinyl group, a substituted or unsubstituted amino group, and a cyano group are independently selected. * Represents the bond position with the carbon atom.
一般式[2] General formula [2]
一般式[2]において、R20乃至R29は水素原子、ハロゲン原子、置換或いは無置換のアルキル基、置換或いは無置換のアルコキシ基、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のアミノ基、シアノ基からそれぞれ独立に選ばれる。R20乃至R29のうちの隣り合う2つは互いに結合して環を形成してもよい。 In the general formula [2], R 20 to R 29 are a hydrogen atom, a halogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted heterocycle. It is independently selected from a group, a substituted or unsubstituted vinyl group, a substituted or unsubstituted amino group, and a cyano group. Two adjacent two of R 20 to R 29 may be combined with each other to form a ring.
一般式[3]乃至[5] General formulas [3] to [5]
一般式[3]乃至[5]において、Mは金属原子であり、該金属原子は酸素原子又はハロゲン原子を置換基として有してもよい。 In the general formulas [3] to [5], M is a metal atom, and the metal atom may have an oxygen atom or a halogen atom as a substituent.
L1乃至L9は金属Mに配位する配位子であって、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基からなり、それぞれL1乃至L9のうちの隣り合う2つは互いに結合して環を形成してもよい配位子を表す。 L 1 to L 9 are ligands coordinated to the metal M and consist of a substituted or unsubstituted aryl group and a substituted or unsubstituted heterocyclic group, which are adjacent 2 of L 1 to L 9 , respectively. Represents a ligand that may be bonded to each other to form a ring.
上記一般式[1]で表される有機化合物の中でも、Ar1は置換或いは無置換のアリーレン基、又は置換或いは無置換の二価の複素環基であることが好ましい。当該複素環基の複素原子は窒素であることが好ましい。X1は硫黄又は酸素原子であることが好ましい。n1は1であり、n2は0であり、Ar2はn2が0で単結合を表すことが好ましい。 Among the organic compounds represented by the general formula [1], Ar 1 is preferably a substituted or unsubstituted arylene group or a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group. The complex atom of the heterocyclic group is preferably nitrogen. X 1 is preferably a sulfur or oxygen atom. It is preferred that n 1 is 1, n 2 is 0, and Ar 2 is 0 and represents a single bond.
一般式[2]は、より具体的には以下の一般式[11]乃至[27]のいずれかで表すことができる。 The general formula [2] can be more specifically expressed by any of the following general formulas [11] to [27].
一般式[11]乃至[27]において、R31乃至R390は水素原子、ハロゲン原子、置換或いは無置換のアルキル基、置換或いは無置換のアルコキシ基、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のアミノ基、シアノ基からそれぞれ独立に選ばれる。 In the general formulas [11] to [27], R 31 to R 390 are hydrogen atom, halogen atom, substituted or unsubstituted alkyl group, substituted or unsubstituted alkoxy group, substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted. It is independently selected from a substituted heterocyclic group, a substituted or unsubstituted vinyl group, a substituted or unsubstituted amino group, and a cyano group.
上記一般式[1]及び[2]、一般式[1-1]乃至[1-9]、一般式[11]乃至[27]の置換基の具体例を以下に示す。
ハロゲン原子としては、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられ、フッ素原子であることが好ましい。
Specific examples of the substituents of the general formulas [1] and [2], the general formulas [1-1] to [1-9], and the general formulas [11] to [27] are shown below.
Examples of the halogen atom include a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom, and a fluorine atom is preferable.
アルキル基は、炭素原子数1乃至10のアルキル基が好ましい。例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、tert-ブチル基、sec-ブチル基、オクチル基、1-アダマンチル基、2-アダマンチル基などが挙げられる。アルキル基は、炭素原子数1乃至4のアルキル基であってもよい。 The alkyl group is preferably an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. For example, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, a tert-butyl group, a sec-butyl group, an octyl group, a 1-adamantyl group, a 2-adamantyl group and the like can be mentioned. The alkyl group may be an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
アルコキシ基は、炭素原子数1乃至10のアルコキシ基が好ましい。例えば、メトキシ基、エトキシ基、n-プロピオキシ基、イソプロピオキシ基、n-ブトキシ基、tert-ブトキシ基、sec-ブトキシ基、オクトキシ基などが挙げられる。アルコキシ基は炭素原子数1乃至4のアルコキシ基であってもよい。 The alkoxy group is preferably an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms. For example, a methoxy group, an ethoxy group, an n-propioxy group, an isopropioxy group, an n-butoxy group, a tert-butoxy group, a sec-butoxy group, an octoxy group and the like can be mentioned. The alkoxy group may be an alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms.
アリール基は、炭素原子数6乃至20のアリール基が好ましい。例えば、フェニル基、ナフチル基、インデニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、フルオレニル基、アントラセニル基、ピレニル基、フルオランテニル基、ペリレニル基などが挙げられ。特に、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、フルオレニル基、ナフチル基が分子量は低く、化合物の昇華性を考慮すると好ましい。 The aryl group is preferably an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. For example, a phenyl group, a naphthyl group, an indenyl group, a biphenyl group, a terphenyl group, a fluorenyl group, an anthrasenyl group, a pyrenyl group, a fluoranthenyl group, a peryleneyl group and the like can be mentioned. In particular, a phenyl group, a biphenyl group, a terphenyl group, a fluorenyl group, and a naphthyl group have a low molecular weight and are preferable in consideration of the sublimation property of the compound.
複素環基は、炭素原子数3乃至15の複素環基が好ましい。例えば、ピリジル基、ピラジル基、トリアジル基、チエニル基、フラニル基、ピロリル基、オキサゾリル基、オキサジアゾリル基、チアゾリル基、チアジアゾリル基、カルバゾリル基、アクリジニル基、フェナントロリル基、ベンゾチオフェニル基、ジベンゾチオフェニル基、ベンゾチアゾリル基、ベンゾアゾリル基、ベンゾピロリル基などが挙げられる。複素環基が有する複素原子は、窒素が好ましい。 The heterocyclic group is preferably a heterocyclic group having 3 to 15 carbon atoms. For example, pyridyl group, pyrazil group, triazil group, thienyl group, furanyl group, pyrrolyl group, oxazolyl group, oxadiazolyl group, thiazolyl group, thiadiazolyl group, carbazolyl group, acridinyl group, phenanthrolyl group, benzothiophenyl group, dibenzothiophenyl group. , Benzothiazolyl group, benzoazolyl group, benzopyrrolyl group and the like. Nitrogen is preferable as the complex atom contained in the heterocyclic group.
アミノ基は、アルキル基、アリール基を置換基として有するアミノ基が好ましい。例えば、N-メチルアミノ基、N-エチルアミノ基、N,N-ジメチルアミノ基、N,N-ジエチルアミノ基、N-メチル-N-エチルアミノ基、N-ベンジルアミノ基、N-メチル-N-ベンジルアミノ基、N,N-ジベンジルアミノ基、アニリノ基、N,N-ジフェニルアミノ基、N,N-ジナフチルアミノ基、N,N-ジフルオレニルアミノ基、N-フェニル-N-トリルアミノ基、N,N-ジトリルアミノ基、N-メチル-N-フェニルアミノ基、N,N-ジアニソイルアミノ基、N-メシチル-N-フェニルアミノ基、N,N-ジメシチルアミノ基、N-フェニル-N-(4-tert-ブチルフェニル)アミノ基、N-フェニル-N-(4-トリフルオロメチルフェニル)アミノ基等が挙げられる。アミノ基が置換基として有するアルキル基やアリール基は、上記の置換基の例示で示された通りである。 The amino group is preferably an amino group having an alkyl group or an aryl group as a substituent. For example, N-methylamino group, N-ethylamino group, N, N-dimethylamino group, N, N-diethylamino group, N-methyl-N-ethylamino group, N-benzylamino group, N-methyl-N. -Benzylamino group, N, N-dibenzylamino group, anilino group, N, N-diphenylamino group, N, N-dinaphthylamino group, N, N-difluorenylamino group, N-phenyl-N- Trillamino group, N, N-ditrilamino group, N-methyl-N-phenylamino group, N, N-dianisoylamino group, N-mesityl-N-phenylamino group, N, N-dimesitylamino group, N-phenyl- Examples thereof include N- (4-tert-butylphenyl) amino group and N-phenyl-N- (4-trifluoromethylphenyl) amino group. The alkyl group and aryl group that the amino group has as a substituent are as shown in the above-mentioned examples of the substituent.
一般式[1]及び[2]、一般式[1-1]乃至[1-9]、一般式[11]乃至[27]におけるアルキル基、アリール基、複素環基、アミノ基、ビニル基、アリール基が有する置換基は次の置換基が挙げられる。当該置換基は、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などの炭素原子数1乃至4のアルキル基、ベンジル基などのアラルキル基、フェニル基、ビフェニル基などのアリール基、ピリジル基、ピロリル基などの窒素原子を複素原子とする複素環基、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ジベンジルアミノ基、ジフェニルアミノ基、ジトリルアミノ基などのアミノ基、メトキシル基、エトキシル基、プロポキシル基、フェノキシル基などのアルコキシル基、1,3-インダンジオニル基、5-フルオロ-1,3-インダンジオニル基、5,6-ジフルオロ-1,3-インダンジオニル基、5,6-ジシアノ-1,3-インダンジオニル基、5-シアノ-1,3-インダンジオニル基、シクロペンタ[b]ナフタレン-1,3(2H)-ジオニル基、フェナレン-1,3(2H)-ジオニル基、1,3-ジフェニル-2,4,6(1H,3H,5H)-ピリミジントリオニル基などの環状ケトン基、シアノ基、ハロゲン原子などが挙げられる。ハロゲン原子はフッ素、塩素、臭素、ヨウ素などであり、フッ素原子が好ましい。 Alkyl group, aryl group, heterocyclic group, amino group, vinyl group in the general formulas [1] and [2], the general formulas [1-1] to [1-9], and the general formulas [11] to [27]. Examples of the substituent contained in the aryl group include the following substituents. The substituents include an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group and a butyl group, an aralkyl group such as a benzyl group, an aryl group such as a phenyl group and a biphenyl group, a pyridyl group and a pyrrolyl group. Amino groups such as heterocyclic groups, dimethylamino groups, diethylamino groups, dibenzylamino groups, diphenylamino groups and ditrilamino groups, methoxyl groups, ethoxyl groups, propoxyl groups, phenoxyl groups, etc. Alkenyl group, 1,3-indandionyl group, 5-fluoro-1,3-indandonyl group, 5,6-difluoro-1,3-indandionyl group, 5,6-dicyano-1,3-indandionyl group, 5- Cyano-1,3-indandanionyl group, cyclopenta [b] naphthalene-1,3 (2H) -dionyl group, phenalen-1,3 (2H) -dionyl group, 1,3-diphenyl-2,4,6 (1H) , 3H, 5H) -Cyclic ketone groups such as pyrimidinetrionyl group, cyano group, halogen atom and the like can be mentioned. The halogen atom is fluorine, chlorine, bromine, iodine or the like, and the fluorine atom is preferable.
一般式[1]は、下記の一般式[28]で表される構造を有することが好ましい。 The general formula [1] preferably has a structure represented by the following general formula [28].
上記一般式[28]において、R391乃至R396は水素原子、ハロゲン原子、置換或いは無置換のアルキル基、置換或いは無置換のアルコキシ基、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のアミノ基、シアノ基からそれぞれ独立に選ばれる。R391乃至R396のうちの隣接する2つは、互いに結合して環を形成してもよい。特にR394とR395とが結合して環を形成するのが好ましい。 In the above general formula [28], R 391 to R 396 are a hydrogen atom, a halogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted complex. It is independently selected from a ring group, a substituted or unsubstituted vinyl group, a substituted or unsubstituted amino group, and a cyano group. Adjacent two of R 391 to R 396 may be combined with each other to form a ring. In particular, it is preferable that R 394 and R 395 combine to form a ring.
また一般式[28]で表される有機化合物は、吸収ピーク波長が522nm以上600nm以下において強い吸収を持つ材料である。この波長領域に吸収ピークを有するとは、前述の通り、光電変換層がパンクロマティック性を有するために好ましい。 The organic compound represented by the general formula [28] is a material having strong absorption when the absorption peak wavelength is 522 nm or more and 600 nm or less. Having an absorption peak in this wavelength region is preferable because the photoelectric conversion layer has panchromaticity as described above.
上記一般式[3]乃至[5]において、Mがイリジウムである場合は、6配位錯体であることが好ましい。Mがプラチナ、バナジウム、コバルト、ガリウム、チタンである場合は、4配位錯体であることが好ましい。当該配位数とすることで錯体の安定性が高いためである。 In the above general formulas [3] to [5], when M is iridium, it is preferably a 6-coordination complex. When M is platinum, vanadium, cobalt, gallium, or titanium, it is preferably a tetracoordinated complex. This is because the stability of the complex is high by using the coordination number.
上記一般式[3]乃至[5]について配位子L1乃至L9の具体例を以下に示す。
配位子L1乃至L9は置換或いは無置換のアリール基と置換或いは無置換の複素環基から選ばれる置換基を複数結合させた配位子である。
配位子を構成するアリール基として、フェニル基、ナフチル基、インデニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、フルオレニル基、アントラセニル基、ピレニル基、フルオランテニル基、ペリレニル基などが挙げられるが、もちろんこれらに限定されるものではない。
Specific examples of the ligands L 1 to L 9 for the above general formulas [3] to [5] are shown below.
The ligands L 1 to L 9 are ligands in which a plurality of substituents selected from a substituted or unsubstituted aryl group and a substituted or unsubstituted heterocyclic group are bonded.
Examples of the aryl group constituting the ligand include a phenyl group, a naphthyl group, an indenyl group, a biphenyl group, a terphenyl group, a fluorenyl group, an anthrasenyl group, a pyrenyl group, a fluoranthenyl group, a peryleneyl group and the like. Not limited to.
配位子を構成する複素環基として、ピリジル基、ピラジル基、トリアジル基、チエニル基、フラニル基、ピロリル基、オキサゾリル基、オキサジアゾリル基、チアゾリル基、チアジアゾリル基、カルバゾリル基、アクリジニル基、フェナントロリル基、ベンゾチオフェニル基、ジベンゾチオフェニル基、ベンゾチアゾリル基、ベンゾアゾリル基、ベンゾピロリル基などが挙げられるが、もちろんこれらに限定されるものではない。 As the heterocyclic group constituting the ligand, a pyridyl group, a pyrazil group, a triazil group, a thienyl group, a furanyl group, a pyrrolyl group, an oxazolyl group, an oxadiazolyl group, a thiazolyl group, a thiadiazolyl group, a carbazolyl group, an acridinyl group, a phenanthrolyl group, Examples thereof include, but are not limited to, a benzothiophenyl group, a dibenzothiophenyl group, a benzothiazolyl group, a benzoazolyl group and a benzopyrrolyl group.
一般式[3]乃至[5]における配位子が有する置換基、即ちアリール基及び複素環基が有する置換基は、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などの炭素原子数1乃至4のアルキル基、ベンジル基などのアラルキル基、フェニル基、ビフェニル基などのアリール基、ピリジル基、ピロリル基などの窒素原子を複素原子とする複素環基、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ジベンジルアミノ基、ジフェニルアミノ基、ジトリルアミノ基などのアミノ基、メトキシル基、エトキシル基、プロポキシル基、フェノキシル基などのアルコキシル基、1,3-インダンジオニル基、5,-フルオロ-1,3-インダンジオニル基、5,6-ジフルオロ-1,3-インダンジオニル基、5,6-ジシアノ-1,3-インダンジオニル基、5-シアノ-1,3-インダンジオニル基、シクロペンタ[b]ナフタレン-1,3(2H)-ジオニル基、フェナレン-1,3(2H)-ジオニル基、1,3-ジフェニル-2,4,6(1H,3H,5H)-ピリミジントリオニル基などの環状ケトン基、シアノ基、ハロゲン原子などが挙げられる。ハロゲン原子はフッ素、塩素、臭素、ヨウ素などであり、フッ素原子が好ましい。
配位子は、ヒドロキシ基やカルボキシル基等を置換基として有し、ヒドロキシ基やカルボキシル基を介して金属原子結合してもよい。
The substituents of the ligands in the general formulas [3] to [5], that is, the substituents of the aryl group and the heterocyclic group have 1 to 4 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group and a butyl group. Alkyl group such as alkyl group and benzyl group, aryl group such as phenyl group and biphenyl group, heterocyclic group having nitrogen atom such as pyridyl group and pyrrolyl group as complex atom, dimethylamino group, diethylamino group and dibenzylamino group. , Amino groups such as diphenylamino group and ditrilamino group, methoxyl group, ethoxyl group, propoxyl group, alkoxyl group such as phenoxyl group, 1,3-indandenyl group, 5,-fluoro-1,3-indandenyl group, 5 , 6-Difluoro-1,3-indandionyl group, 5,6-dicyano-1,3-indandonyl group, 5-cyano-1,3-indandonyl group, cyclopenta [b] naphthalene-1,3 (2H) -dionyl Group, phenalene-1,3 (2H) -dionyl group, 1,3-diphenyl-2,4,6 (1H, 3H, 5H) -pyrimidinetrionyl group and other cyclic ketone groups, cyano group, halogen atom, etc. Can be mentioned. The halogen atom is fluorine, chlorine, bromine, iodine or the like, and the fluorine atom is preferable.
The ligand has a hydroxy group, a carboxyl group, or the like as a substituent, and may be bonded to a metal atom via the hydroxy group or the carboxyl group.
以下に、上記一般式[1]乃至[5]で示されるp型半導体のうち、好ましい化合物を例示する。 Hereinafter, preferable compounds among the p-type semiconductors represented by the above general formulas [1] to [5] are exemplified.
(n型半導体)
本発明において用いられるn型半導体とは、電子アクセプタ性有機半導体材料であり、電子を受容しやすい性質がある有機化合物である。n型半導体としては、フラーレン系化合物、金属錯体系化合物、フタロシアニン系化合物、カルボン酸ジイミド系化合物等が挙げられるが、フラーレン又はフラーレン誘導体を第一又は第二の有機半導体としてのn型半導体として含むことが好ましい。フラーレン分子又はフラーレン誘導体分子が光電変換層において連なることで、電子の輸送経路が形成されるため、電子輸送性が向上し、光電変換素子の高速応答性が向上する。フラーレン分子又はフラーレン誘導体分子の中でも、フラーレンC60が、電子の輸送経路を形成し易いので、特に好ましい。フラーレン又はフラーレン誘導体の含有量は、光電変換層の全量を100質量%とした場合、光電変換特性の良好さから40質量%以上85質量%以下が好ましい。
(N-type semiconductor)
The n-type semiconductor used in the present invention is an electron-accepting organic semiconductor material, and is an organic compound having a property of easily accepting electrons. Examples of the n-type semiconductor include a fullerene compound, a metal complex compound, a phthalocyanine compound, a carboxylic acid diimide compound and the like, and the fullerene or the fullerene derivative is included as the n-type semiconductor as the first or second organic semiconductor. Is preferable. By connecting the fullerene molecule or the fullerene derivative molecule in the photoelectric conversion layer, an electron transport path is formed, so that the electron transport property is improved and the high-speed response of the photoelectric conversion element is improved. Among fullerene molecules or fullerene derivative molecules, fullerene C60 is particularly preferable because it easily forms an electron transport path. The content of fullerene or fullerene derivative is preferably 40% by mass or more and 85% by mass or less from the viewpoint of good photoelectric conversion characteristics when the total amount of the photoelectric conversion layer is 100% by mass.
フラーレン又はフラーレン誘導体は、例えば、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC80、フラーレンC82、フラーレンC84、フラーレンC90、フラーレンC96、フラーレンC240、フラーレン540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ等が挙げられる。
フラーレン誘導体は、フラーレンに置換基を有するものである。この置換基は、アルキル基、アリール基、複素環基等が挙げられる。
Examples of the fullerene or the fullerene derivative include fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C80, fullerene C82, fullerene C84, fullerene C90, fullerene C96, fullerene C240, fullerene 540, mixed fullerene, fullerene nanotube and the like. Will be.
The fullerene derivative has a substituent on the fullerene. Examples of this substituent include an alkyl group, an aryl group, a heterocyclic group and the like.
(近赤外吸収材料)
三元構成の光電変換素子においては近赤外域に吸収帯を有する化合物を用いることで感度領域を近赤外化することが可能である。その場合、第一、第二、第三のいずれかの有機半導体として、近赤外領域に吸収帯を有する化合物が含まれてもよい。近赤外域とは一般には800~2500nmの波長帯を指すが、有機材料を使った吸収材料としては下記のような化合物が知られている。
(Near infrared absorption material)
In the photoelectric conversion element having a ternary configuration, it is possible to convert the sensitivity region to near infrared by using a compound having an absorption band in the near infrared region. In that case, as any of the first, second, and third organic semiconductors, a compound having an absorption band in the near infrared region may be contained. The near-infrared region generally refers to a wavelength band of 800 to 2500 nm, but the following compounds are known as absorbent materials using organic materials.
近赤外領域の吸収を有する材料はバンドギャップが小さいため図1に示すΔEが小さくなりやすく、暗電流が大きくなる傾向がある。このため、近赤外に吸収を有する材料が含まれる光電変換素子においては、用いる有機半導体間に、前述した式(2)乃至(7)で示されるSP値関係を適用し、暗電流を低減させることが好ましい。 Since the material having absorption in the near infrared region has a small band gap, ΔE shown in FIG. 1 tends to be small, and the dark current tends to be large. Therefore, in the photoelectric conversion element containing a material having absorption in the near infrared, the SP value relationship represented by the above-mentioned equations (2) to (7) is applied between the organic semiconductors used to reduce the dark current. It is preferable to let it.
本発明に係る光電変換層は、非発光であることが好ましい。非発光とは、可視光領域(波長400nm乃至730nm)において発光量子収率が1%以下、好ましくは0.5%以下、より好ましくは0.1%以下の層である。光電変換層において、発光量子収率が1%を超えると、センサや撮像素子に適用した場合にセンシング性能又は撮像性能に影響を与えるため、好ましくない。発光量子収率とは、吸収されるフォトンに対して、ルミネッセンスによって放出されるフォトンの比である。発光量子収率は、石英ガラスなどの基板上に光電変換層と同様の材料組成の薄膜をサンプルとして作製し、そのサンプルを、薄膜の値を求めるために設計された絶対PL量子収率測定装置を使用して測定することができる。例えば、絶対量子収率測定装置としては、浜松ホトニクス社製「C9920-02」を用いる事ができる。 The photoelectric conversion layer according to the present invention preferably does not emit light. The non-emission is a layer having a emission quantum yield of 1% or less, preferably 0.5% or less, more preferably 0.1% or less in the visible light region (wavelength 400 nm to 730 nm). If the emission quantum yield of the photoelectric conversion layer exceeds 1%, it affects the sensing performance or the image pickup performance when applied to a sensor or an image pickup element, which is not preferable. The emission quantum yield is the ratio of the photons emitted by luminescence to the absorbed photons. The emission quantum yield is an absolute PL quantum yield measuring device designed to prepare a thin film with the same material composition as the photoelectric conversion layer on a substrate such as quartz glass as a sample, and to obtain the value of the thin film from the sample. Can be measured using. For example, as the absolute quantum yield measuring device, "C9920-02" manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. can be used.
(光電変換素子)
図7は、本発明の光電変換素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。本発明の光電変換素子は、少なくともアノード5と、カソード4と、アノード5とカソード4との間に配置される第1の有機化合物層としての光電変換層1を有し、該光電変換層1が、上記した特定の有機半導体組成を有している。本実施形態の光電変換素子10は、光電変換層1を挟んで、第2の有機化合物層2と第3の有機化合物層3とを備えた例である。
(Photoelectric conversion element)
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention. The photoelectric conversion element of the present invention has at least an
本実施形態の光電変換素子10を構成するカソード4は、アノード5とカソード4との間に配置されている光電変換層1で発生した正孔を捕集する電極である。また、アノード5は、アノード5とカソード4との間に配置されている光電変換層1で発生した電子を捕集する電極である。カソードは正孔捕集電極とも呼ばれ、アノードは電子捕集電極とも呼ばれる。カソード及びアノードのいずれが基板側に配置されていてもよい。基板側に配置された電極は下部電極とも呼ばれる。
本実施形態の光電変換素子は、カソードとアノードとの間に電圧を印加して用いる素子であってよい。
The cathode 4 constituting the
The photoelectric conversion element of the present embodiment may be an element used by applying a voltage between the cathode and the anode.
カソード4の構成材料としては、導電性が高く、透明性を有する材料であれば特に制限されない。具体的には、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属硼化物、有機導電性化合物、これらを複数種組み合わせた混合物等が挙げられる。さらに具体的には、アンチモンやフッ素等をドープした酸化錫(ATO、FTO)、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム等の導電性金属酸化物、金、銀、クロム、ニッケル、チタン、タングステン、アルミ等の金属材料及びこれら金属材料の酸化物や窒化物等の導電性化合物(例えば、窒化チタン(TiN)等)、さらにこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物又は積層物、ヨウ化銅、硫化銅等の無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール等の有機導電性材料、及びこれらとITO又は窒化チタンとの積層物等が挙げられる。カソード4の構成材料として、特に好ましくは、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タンタル及び窒化タングステンから選択される材料である。
アノード5の構成材料として、具体的には、ITO、インジウム亜鉛酸化物、SnO2、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)、ZnO、AZO(Alドープ酸化亜鉛)、GZO(ガリウムドープ酸化亜鉛)、TiO2、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)等が挙げられる。
The constituent material of the cathode 4 is not particularly limited as long as it is a material having high conductivity and transparency. Specific examples thereof include metals, metal oxides, metal nitrides, metal boronides, organic conductive compounds, and mixtures in which a plurality of types thereof are combined. More specifically, conductive metal oxides such as antimony, fluorine-doped tin oxide (ATO, FTO), tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide, gold, etc. Metallic materials such as silver, chromium, nickel, titanium, tungsten, aluminum and conductive compounds such as oxides and nitrides of these metal materials (for example, titanium nitride (TiN)), and these metals and conductive metal oxidation. Examples thereof include mixtures or laminates with substances, inorganic conductive substances such as copper iodide and copper sulfide, organic conductive materials such as polyaniline, polythiophene and polypyrrole, and laminates of these with ITO or titanium nitride. As a constituent material of the cathode 4, a material selected from titanium nitride, molybdenum nitride, tantalum nitride and tungsten nitride is particularly preferable.
Specific examples of the constituent materials of the
電極を形成する方法は、電極材料との適正を考慮して適宜選択することができる。具体的には、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等により形成することができる。
電極がITOの場合、電子ビーム法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法(ゾルーゲル法など)、ITOの分散物の塗布などの方法で形成することができる。更に、形成されたITOに、UV-オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。電極がTiNの場合、反応性スパッタリング法をはじめとする各種の方法が用いられ、更にアニール処理、UV-オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。
The method for forming the electrode can be appropriately selected in consideration of the suitability with the electrode material. Specifically, it can be formed by a wet method such as a printing method or a coating method, a physical method such as a vacuum vapor deposition method, a sputtering method or an ion plating method, or a chemical method such as CVD or plasma CVD method.
When the electrode is ITO, it can be formed by a method such as an electron beam method, a sputtering method, a resistance heating vapor deposition method, a chemical reaction method (sol-gel method or the like), or application of an ITO dispersion. Further, the formed ITO can be subjected to UV-ozone treatment, plasma treatment and the like. When the electrode is TiN, various methods such as a reactive sputtering method are used, and further annealing treatment, UV-ozone treatment, plasma treatment and the like can be performed.
本実施形態において、第2の有機化合物層2は、一層で構成されていてもよいし、複数の層で構成されていてもよく、複数種の材料を有する混合層であってもよい。図7の光電変換素子10において、第2の有機化合物層2は、光電変換層1から移動した正孔をカソード4へ輸送する役割を有する。また第2の有機化合物層2は、カソード4から光電変換層1へ電子が移動するのを抑制する。つまり、第2の有機化合物層2は、正孔輸送層又は電子ブロッキング層として機能し、暗電流の発生を阻止する上で好ましい構成部材である。よって、第2の有機化合物層2は、電子親和力或いはLUMOエネルギーが小さいことが好ましい。
In the present embodiment, the second organic compound layer 2 may be composed of one layer, may be composed of a plurality of layers, or may be a mixed layer having a plurality of kinds of materials. In the
また、本実施形態において、第3の有機化合物層3は、光電変換層1から移動した電子をアノード5へ輸送する役割を有する。また第3の有機化合物層3は、アノード5から光電変換層1へ正孔が流れ込むのを抑制する正孔ブロッキング層であるため、イオン化ポテンシャルが高い層であることが好ましい。第3の有機化合物層3は、一層で構成されていてもよいし、複数の層で構成されていてもよく、複数種の材料を有する混合層であってもよい。
Further, in the present embodiment, the third
本発明において、アノード5とカソード4との間に配置される層は、上述した三種類の層(光電変換層1、第2の有機化合物層2、第3の有機化合物層3)に限定されるものではない。第2の有機化合物層2とカソード4との間、及び第3の有機化合物層3とアノード5の間の少なくとも一方に介在層をさらに設けることができる。この介在層は、発生した電荷を電極にて注入する際の電荷の注入効率を向上させる、もしくは電荷を印加した際に電荷が有機化合物層に注入するのを阻止する目的で設けられる。この介在層を設ける場合、この介在層は有機化合物層であっても、無機化合物層であっても、また、有機化合物と無機化合物とが混在する混合層であってもよい。
In the present invention, the layer arranged between the
図7の光電変換素子10のアノード5は、読み出し回路6と接続されているが、読み出し回路6は、カソード4と接続されていてもよい。読み出し回路6には、光電変換層1において発生した電荷に基づく情報を読み出し、例えば、後段に配された信号処理回路(不図示)に当該情報を伝える役割を果たす。読み出し回路6は、例えば、光電変換素子10において生じた電荷に基づく信号を出力するトランジスタが含まれている。
Although the
図7の光電変換素子10において、カソード4の上には無機保護層7が配置されている。無機保護層7は、アノード5と、第3の有機化合物層3と、光電変換層1と、第2の有機化合物層2と、カソード4と、がこの順で積層されてなる部材を保護するための層である。無機保護層7の構成材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、アルミニウム酸化物などが挙げられる。酸化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコンは、スパッタリング法、CVD法により形成することができ、アルミニウム酸化物は、ALD法(原子層堆積法)により形成することができる。無機保護層7の封止性能は、水透過率が、10-5g/m2・day以下であればよい。また、無機保護層7の膜厚は特に限定されるものではないが、封止性能の観点から0.5μm以上であることが好ましい。一方で封止性能を保てるならば薄い方がよく、1μm以下であることが特に好ましい。無機保護層7が薄い方が好ましい理由は、二次元に素子を並べエリアセンサとして用いる際に、光電変換層からカラーフィルタまでの距離が短くできるほど混色を低減させる効果があるためである。
In the
図7の光電変換素子10において、無機保護層7の上には、カラーフィルタ8が配置されている。カラーフィルタ8は、例えば、可視光のうち赤色の光を透過するカラーフィルタ等が挙げられる。また本発明において、カラーフィルタ8の設け方としては、光電変換素子一個あたり一つであってもよいし、光電変換素子複数個あたり一つであってもよい。さらにカラーフィルタ8を配列する際には、例えば、隣接する光電変換素子とで、ベイヤー配列を形成してよい。
In the
図7の光電変換素子10において、カラーフィルタ8の上に光学部材を配置しても良く、図7においては、光学部材としてマイクロレンズ9が配置されている。マイクロレンズ9は、入射した光を光電変換部である光電変換層1に集光する役割を果たす。また本発明において、マイクロレンズ9の設け方としては、光電変換素子一個あたり一つであってもよいし、光電変換素子複数個あたり一つであってもよい。本発明においては、光電変換素子一個あたり一つのマイクロレンズ9を設けるのが好ましい。
In the
尚、図7においては、カソード4側にマイクロレンズ9を配置して光入射側としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アノード5側に無機保護層7、カラーフィルタ8、マイクロレンズ9を設けても良い。その場合、先に示したカソード4及びアノード5のそれぞれに好ましい電極材料は逆になる。
また、図7においては図示されていないが、本発明の光電変換素子は、基板を有していてもよい。基板として、例えば、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板等が挙げられる。基板側にアノード5及びカソード4のいずれを配置するかは限定されず、基板上にアノード5/光電変換層1/カソード4の順でもよいし、カソード4/光電変換層1/アノード5でもよい。
以上が光電変換素子における主な構成である。実際には該光電変換素子は作製後にアニールされることが好ましいが、そのアニール条件によって本発明は特に限定されるものではない。
In FIG. 7, the
Further, although not shown in FIG. 7, the photoelectric conversion element of the present invention may have a substrate. Examples of the substrate include a silicon substrate, a glass substrate, a flexible substrate, and the like. It is not limited whether the
The above is the main configuration of the photoelectric conversion element. Actually, it is preferable that the photoelectric conversion element is annealed after production, but the present invention is not particularly limited by the annealing conditions.
本発明に係る光電変換素子は、光電変換層1に用いる有機半導体を選択することで、異なる色の光に対応する光電変換素子とすることができる。異なる色に対応するとは、光電変換層1が光電変換する光の波長領域が変化することを意味する。
また、それぞれ異なる色に対応する複数の光電変換素子を積層することで、カラーフィルタが必要ない光電変換装置とすることもできる。
The photoelectric conversion element according to the present invention can be a photoelectric conversion element corresponding to light of different colors by selecting the organic semiconductor used for the
Further, by stacking a plurality of photoelectric conversion elements corresponding to different colors, it is possible to obtain a photoelectric conversion device that does not require a color filter.
図8は図7の光電変換素子10を用いた一画素20の等価回路図である。光電変換素子10のアノード5の下層は、半導体基板内に形成された電荷蓄積部15に電気的に接続され、更に増幅トランジスタ23に接続される。画素回路は、光電変換素子10からの信号を増幅する増幅トランジスタ(SF MOS)23、画素を選択する選択トランジスタ(SEL MOS)24、ノードBをリセットするリセットトランジスタ(RES MOS)22を含む。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of one
このような構成により、増幅トランジスタ23が光電変換素子10で生じた信号を出力することができる。光電変換素子10と増幅トランジスタ23とは短絡されてもよい。或いは、図8に示すように光電変換素子10と増幅トランジスタ23との間の電気経路に、スイッチとして転送トランジスタ25が配されてもよい。転送トランジスタ25は、切り替え制御パルスpTXによりオンとオフとが切り替えられるように制御される。図8の画素構成では、光電変換素子10と増幅トランジスタ23との電気的な接続を表すノードBが示されている。ノードBは、電気的にフローティングとすることが可能となるように構成される。ノードBが電気的にフローティングになることにより、ノードBの電圧が光電変換素子10で生じた電荷に応じて変化しうる。従って、増幅トランジスタ23に光電変換素子10で生じた電荷に応じた信号を入力することができる。
With such a configuration, the
図8の画素構成では、半導体基板内のノードBの電圧をリセットするリセットトランジスタ22を有する。リセットトランジスタ22は、リセット電圧(不図示)をノードBに供給する。リセットトランジスタ22は、リセット制御パルスpRESによりオンとオフとが切り替えられるように制御される。リセットトランジスタ22がオンすることで、ノードBにリセット電圧が供給される。電荷蓄積部15は、光電変換素子10で発生した電荷を蓄積する領域であり、半導体基板内にP型領域及びN型領域を形成して構成される。
The pixel configuration of FIG. 8 has a
増幅トランジスタ23のドレイン電極には、電源電圧が供給される。増幅トランジスタ23のソース電極は、選択トランジスタ24を介して、出力線28に接続される。出力線28には、電流源26が接続される。増幅トランジスタ23及び電流源26は画素ソースフォロワ回路を構成し、光電変換素子10からの信号電荷が蓄積された電荷蓄積部15の信号電圧を出力線28に出力する。出力線28には、さらに列回路27が接続される。出力線28に出力された画素20からの信号は、列回路27に入力される。尚、図8中、29は配線である。
A power supply voltage is supplied to the drain electrode of the
(光電変換装置)
図9は、本発明の光電変換素子を用いた光電変換装置の一実施形態の構成を模式的に示す平面図である。本実施形態の光電変換装置は、撮像領域31と、垂直走査回路32と、2つの読み出し回路33と、2つの水平走査回路34と、2つの出力アンプ35を備えている。撮像領域31以外の領域が回路領域36である。
(Photoelectric converter)
FIG. 9 is a plan view schematically showing the configuration of an embodiment of a photoelectric conversion device using the photoelectric conversion element of the present invention. The photoelectric conversion device of this embodiment includes an
撮像領域31は、複数の画素が2次元状に配列されて構成される。画素の構造は図8に示された画素20の構造を適宜用いることができる。また、上記した、本発明の光電変換素子10を積層して画素20を構成しても良い。読み出し回路33は、例えば、列アンプ、CDS回路、加算回路等を含み、垂直走査回路32によって選択された行の画素から垂直信号線(図8の28)を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。列アンプ、CDS回路、加算回路等は、例えば、画素列又は複数の画素列毎に配置される。水平走査回路34は、読み出し回路33の信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ35は、水平走査回路34によって選択された列の信号を増幅して出力する。
The
以上の構成は、光電変換装置の一つの構成例に過ぎず、本実施形態は、これに限定されるものではない。読み出し回路33と水平走査回路34と出力アンプ35とは、2系統の出力経路を構成するため、撮像領域31を挟んで上下に1つずつ配置されている。しかし、出力経路は3つ以上設けられていてもよい。各出力アンプから出力された信号は信号処理部で画像信号として合成される。
The above configuration is merely one configuration example of the photoelectric conversion device, and the present embodiment is not limited to this. The
(光エリアセンサ)
本発明の光電変換素子を、面内方向に二次元に配置させることで光エリアセンサの構成部材として用いることができる。光エリアセンサは、面内方向に二次元に配置された複数の光電変換素子を有している。このような構成において、複数の光電変換素子で生じた電荷に基づく信号を個別に出力することで、所定の受光エリアにおける光強度の分布を表わす情報を得ることができる。尚、この光エリアセンサに含まれる光電変換素子を、上述した光電変換装置に換えてもよい。
(Optical area sensor)
By arranging the photoelectric conversion element of the present invention two-dimensionally in the in-plane direction, it can be used as a constituent member of the optical area sensor. The optical area sensor has a plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally in the in-plane direction. In such a configuration, by individually outputting signals based on charges generated by a plurality of photoelectric conversion elements, it is possible to obtain information representing the distribution of light intensity in a predetermined light receiving area. The photoelectric conversion element included in this optical area sensor may be replaced with the above-mentioned photoelectric conversion device.
(撮像素子)
さらに、本発明の光電変換素子は、撮像素子の構成部材として用いることができる。撮像素子は、複数の画素(受光画素)を含む。複数の画素は、複数の行及び複数の列を含む行列に配置されている。このような構成において、各画素からの信号を1つの画素信号として出力することで、画像信号を得ることができる。撮像素子において、複数の受光画素はそれぞれ少なくとも1つの光電変換素子と、該光電変換素子に接続されている読み出し回路を有している。読み出し回路は、例えば、光電変換素子において生じた電荷に基づく信号を出力するトランジスタを含む。読み出された電荷に基づく情報が撮像素子に接続されているセンサ部に伝えられる。センサ部としては、CMOSセンサやCCDセンサが挙げられる。撮像素子では、それぞれの画素で取得した情報が、センサ部に集められることで画像を得ることができる。
(Image sensor)
Further, the photoelectric conversion element of the present invention can be used as a constituent member of the image pickup element. The image pickup device includes a plurality of pixels (light receiving pixels). The plurality of pixels are arranged in a matrix containing a plurality of rows and a plurality of columns. In such a configuration, an image signal can be obtained by outputting the signal from each pixel as one pixel signal. In the image pickup device, each of the plurality of light receiving pixels has at least one photoelectric conversion element and a readout circuit connected to the photoelectric conversion element. The readout circuit includes, for example, a transistor that outputs a signal based on the charge generated in the photoelectric conversion element. Information based on the read charge is transmitted to the sensor unit connected to the image sensor. Examples of the sensor unit include a CMOS sensor and a CCD sensor. In the image pickup device, an image can be obtained by collecting the information acquired by each pixel in the sensor unit.
撮像素子は、例えば、カラーフィルタ等の光学フィルタを、各受光画素にそれぞれ対応するように有してもよい。光電変換素子が、特定の波長の光に対応している場合、この光電変換素子が対応可能な波長領域を透過するカラーフィルタを有することが好ましい。カラーフィルタは、受光画素1つにつき1つ設けてもよいし、複数の受光画素につき1つのカラーフィルタを設けてもよい。尚、撮像素子が有する光フィルタは、カラーフィルタに限定されず、他にも、赤外線以上の波長を透過するローパスフィルタ、紫外線以下の波長を透過するUVカットフィルタ、ロングパスフィルタ等が使用できる。 The image pickup device may have, for example, an optical filter such as a color filter so as to correspond to each light receiving pixel. When the photoelectric conversion element corresponds to light of a specific wavelength, it is preferable to have a color filter that transmits a wavelength region to which the photoelectric conversion element can correspond. One color filter may be provided for each light receiving pixel, or one color filter may be provided for each of a plurality of light receiving pixels. The optical filter of the image pickup element is not limited to the color filter, and other low-pass filters that transmit wavelengths above infrared rays, UV cut filters that transmit wavelengths below ultraviolet rays, long-pass filters, and the like can be used.
撮像素子は、マイクロレンズ等の光学部材を、例えば、各受光画素にそれぞれ対応するように有してもよい。撮像素子が有するマイクロレンズは、外部からの光を撮像素子が有する光電変換素子を構成する光電変換層に集光するレンズである。マイクロレンズは、受光画素1つにつき1つ設けてもよいし、複数の受光画素につき1つ設けてもよい。受光画素が複数設けられている場合は、複数(2以上の所定数)の受光画素につき1つのマイクロレンズが設けられるのが好ましい。 The image pickup device may have an optical member such as a microlens so as to correspond to each light receiving pixel, for example. The microlens included in the image pickup element is a lens that collects light from the outside onto the photoelectric conversion layer constituting the photoelectric conversion element included in the image pickup element. One microlens may be provided for each light receiving pixel, or one microlens may be provided for each of a plurality of light receiving pixels. When a plurality of light receiving pixels are provided, it is preferable to provide one microlens for each of the plurality of (two or more predetermined numbers) light receiving pixels.
(撮像装置)
本発明に係る光電変換素子は、撮像装置に用いることができる。撮像装置は、複数のレンズを有する撮像光学部と、該撮像光学部を通過した光を受光する撮像素子と、を有し、該撮像素子として本発明の光電変換素子を用いる。また、撮像装置は、撮像光学部と接合可能な接合部と、撮像素子とを有する撮像装置であってもよい。ここでいう撮像装置とは、より具体的には、デジタルカメラやデジタルスチルカメラ等をいう。撮像装置は、携帯端末に付加されていてよい。携帯端末は、特に限定されないが、スマートフォン、タブレット端末等であってよい。
(Image pickup device)
The photoelectric conversion element according to the present invention can be used in an image pickup apparatus. The image pickup apparatus has an image pickup optical unit having a plurality of lenses and an image pickup element that receives light that has passed through the image pickup optical unit, and the photoelectric conversion element of the present invention is used as the image pickup element. Further, the image pickup device may be an image pickup device having a junction portion that can be joined to the image pickup optical unit and an image pickup element. The image pickup device referred to here more specifically means a digital camera, a digital still camera, or the like. The image pickup device may be attached to the mobile terminal. The mobile terminal is not particularly limited, but may be a smartphone, a tablet terminal, or the like.
また撮像装置は、外部からの信号を受信する受信部をさらに有してもよい。受信部が受信する信号は、撮像装置の撮像範囲、撮像の開始及び撮像の終了の少なくともいずれかを制御する信号である。また撮像装置は、撮像により取得した画像を外部に送信する送信部をさらに有してもよい。このように、受信部や送信部を有することで、撮像装置をネットーワークカメラとして用いることができる。 Further, the image pickup apparatus may further have a receiving unit for receiving a signal from the outside. The signal received by the receiving unit is a signal that controls at least one of the imaging range of the imaging device, the start of imaging, and the end of imaging. Further, the image pickup apparatus may further have a transmission unit for transmitting the image acquired by the image pickup to the outside. By having the receiving unit and the transmitting unit in this way, the image pickup apparatus can be used as a network camera.
また、撮像装置は、外部からの信号を受信する受信部をさらに有してもよい。受信部が受信する信号は、撮像装置の撮像範囲、撮像の開始、撮像の終了の少なくともいずれかを制御する信号である。また、撮像装置は、撮像した画像を外部に送信する送信部をさらに有してもよい。このように、受信部や送信部を有することで、ネットーワークカメラとして用いることができる。 Further, the image pickup apparatus may further have a receiving unit for receiving a signal from the outside. The signal received by the receiving unit is a signal that controls at least one of the imaging range of the imaging device, the start of imaging, and the end of imaging. Further, the image pickup apparatus may further have a transmission unit for transmitting the captured image to the outside. By having a receiving unit and a transmitting unit in this way, it can be used as a network camera.
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に記載の範囲内に限定されるものではない。
以下に、実施例で用いた化合物を示す。
Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the scope described in the following examples.
The compounds used in the examples are shown below.
実施例で用いた化合物の酸化電位などの電気化学特性の評価は、サイクリックボルタンメトリー(CV)によって行うことができる。
CV測定サンプルは、0.1Mテトラブチルアンモニウム過塩素酸塩のオルトジクロロベンゼン溶液10mLに各化合物を1mg程度溶解させ、窒素による脱気処理を行うことにより調製した。測定には三電極法を用い、各電極には、非水溶媒系Ag/Ag+参照電極、直径0.5mm、長さ5cmの白金カウンター電極、内径3mmのガラス状カーボン作用電極(いずれもビー・エー・エス(株)製)を用いた。装置にはALS社製のモデル660C、電気化学アナライザーを用い、測定の挿引速度は、0.1V/sとした。このときの波形の例を図10に示す。バイアス極性を変えることで同様な方法で酸化電位(Eox)と還元電位(Ered)を測定することができる。表2に各材料の酸化電位、還元電位を示す。
The electrochemical properties such as the oxidation potential of the compounds used in the examples can be evaluated by cyclic voltammetry (CV).
The CV measurement sample was prepared by dissolving about 1 mg of each compound in 10 mL of an orthodichlorobenzene solution of 0.1 M tetrabutylammonium perchlorate and degassing with nitrogen. The three-electrode method is used for the measurement, and each electrode is a non-aqueous solvent-based Ag / Ag + reference electrode, a platinum counter electrode with a diameter of 0.5 mm and a length of 5 cm, and a glassy carbon working electrode with an inner diameter of 3 mm (all bee). -Used (manufactured by AS Co., Ltd.). A model 660C manufactured by ALS and an electrochemical analyzer were used as the apparatus, and the insertion / pulling speed of the measurement was 0.1 V / s. An example of the waveform at this time is shown in FIG. By changing the bias polarity, the oxidation potential (Ex) and the reduction potential (Red) can be measured by the same method. Table 2 shows the oxidation potential and reduction potential of each material.
Si基板の上に、カソード、電子ブロッキング層(EBL)、光電変換層、正孔ブロッキング層(HBL)、アノードを順次形成して光電変換素子を作製した。電子ブロッキング層、光電変換層、正孔ブロッキング層には、上記した化合物1乃至14を表3に示す組合せで用いた。作製手順は以下の通りである。
A cathode, an electron blocking layer (EBL), a photoelectric conversion layer, a hole blocking layer (HBL), and an anode were sequentially formed on a Si substrate to produce a photoelectric conversion element. The
先ず、配線層、絶縁層が順次積層され、各画素に対応する箇所に配線層からコンタクトホールが絶縁層に開口を設けて導通可能なように形成されているSi基板を準備した。上記コンタクトホールは配線によって基板端まで引き出されパッド部が形成されている。このコンタクトホール部に重なるようにIZO電極を成膜し所望のパターニングを行い3mm2となるIZO電極(カソード)を形成した。この時、IZO電極の膜厚を100nmとした。このIZO基板上に、下記構成で表3の電子ブロッキング層、光電変換層、正孔ブロッキング層を順次真空蒸着し、さらにカソードと同様のIZO層をスパッタにより成膜してアノードを形成した。 First, a Si substrate was prepared in which a wiring layer and an insulating layer were sequentially laminated, and contact holes were provided in the insulating layer from the wiring layer at locations corresponding to each pixel so as to be conductive. The contact hole is pulled out to the end of the substrate by wiring to form a pad portion. An IZO electrode was formed so as to overlap the contact hole portion, and desired patterning was performed to form an IZO electrode (cathode) having a size of 3 mm 2 . At this time, the film thickness of the IZO electrode was set to 100 nm. The electron blocking layer, photoelectric conversion layer, and hole blocking layer shown in Table 3 were sequentially vacuum-deposited on the IZO substrate with the following configuration, and an IZO layer similar to the cathode was formed by sputtering to form an anode.
アノードを形成後、ガラスキャップと紫外線効果樹脂を使って中空封止を行い、光電変換素子を得た。このようにして得られた光電変換素子は素子特性を安定させるために、170℃のホットプレート上で封止面を上向きとして1時間ほどアニールした。 After forming the anode, hollow sealing was performed using a glass cap and an ultraviolet effect resin to obtain a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element thus obtained was annealed on a hot plate at 170 ° C. with the sealing surface facing upward for about 1 hour in order to stabilize the element characteristics.
得られた光電変換素子に5Vの電圧を印加して流れる電流値を確認した所、いずれの素子でも(明所での電流)/(暗所での電流)=10倍以上の比であるため光電変換素子として機能していることを確認した。次いで、光電変換素子を60℃の恒温槽内に保持し、半導体パラメータアナライザー(Agilent社「4155C」)に配線されたプロバーを電極にコンタクトさせて暗電流を測定した。 When a voltage of 5 V was applied to the obtained photoelectric conversion element and the current value flowing was confirmed, the ratio of (current in bright place) / (current in dark place) = 10 times or more was found in all the elements. It was confirmed that it functions as a photoelectric conversion element. Next, the photoelectric conversion element was held in a constant temperature bath at 60 ° C., and a prober wired to a semiconductor parameter analyzer (Agilent Co., Ltd. “4155C”) was brought into contact with the electrode to measure the dark current.
表3に光電変換素子の電子ブロッキング層、光電変換層、正孔ブロッキング層に用いた化合物と、その組成を示す。尚、以下の表において、「質量%」は、三元構成では第一の有機半導体と第二の有機半導体と第三の有機半導体の合計、二元構成では第一の有機半導体と第二の有機半導体の合計、を100質量%とした時の、各有機半導体の含有量を示す。また、以下の表の説明においても、「含有量」とは、上記三元構成又は二元構成を100質量%とした時の各有機半導体の含有量を意味する。また、表中の「質量比」は、第二の有機半導体の含有量に対する第三の有機半導体の含有量である。 Table 3 shows the compounds used for the electron blocking layer, the photoelectric conversion layer, and the hole blocking layer of the photoelectric conversion element, and their compositions. In the table below, "mass%" is the sum of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor in the ternary configuration, and the first organic semiconductor and the second organic semiconductor in the dual configuration. The content of each organic semiconductor is shown when the total of organic semiconductors is 100% by mass. Further, also in the description of the table below, the "content" means the content of each organic semiconductor when the above-mentioned ternary structure or binary structure is 100% by mass. The "mass ratio" in the table is the content of the third organic semiconductor with respect to the content of the second organic semiconductor.
以下、比較する実施例及び比較例を抜き出した表に基づいて説明する。 Hereinafter, the examples to be compared and the comparative examples will be described based on the extracted tables.
表4に示す比較例1は、光電変換層が第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての化合物3の2材料によって構成されている。比較例2、3、実施例1乃至実施例4は、光電変換層が、第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての含有量が比較例1と同じ25質量%である化合物3に加え、第三の有機半導体としての化合物4を含有することによって構成されている。ここで、比較例2、3、実施例1乃至4における相対暗電流は、比較例1に対する暗電流の比である。表4から、第三の有機半導体の含有量が3質量%以上となる実施例1乃至4は、第三の有機半導体を有さない比較例1に対して、暗電流が低下することが分かる。一方、第三の有機半導体の含有量が3質量%未満である比較例2、3は、第三の有機半導体を有さない比較例1に対して、暗電流の低下は確認できなかった。また、第二の有機半導体に対する第三の有機半導体の質量比では、該質量比が0.12以上となる実施例1乃至4は、第三の有機半導体を有さない比較例1に対して、暗電流が低下した。
In Comparative Example 1 shown in Table 4, the photoelectric conversion layer is composed of two materials, compound 2 as a first organic semiconductor and
表5に示す、比較例1、4、5、6、7は光電変換層が第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての化合物3の2材料によって構成されている。実施例1、5、6、7、比較例8は、光電変換層が、第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての、比較例1、4、5、6、7と同じである化合物3に加え、第三の有機半導体としての化合物4を3質量%含有することにより構成されている。ここで、実施例1、5、6、7、比較例8における相対暗電流は、それぞれ比較例1、4、5、6、7に対する暗電流の比である。表5から、第二の有機半導体の含有量が6質量%よりも大きくなる実施例1、5、6、7は、第三の有機半導体を有さない比較例1、4、5、6に対して、暗電流が低下することが分かる。一方、第二の有機半導体の含有量が6質量%未満である比較例8は、第三の有機半導体を有さない比較例7に対して、暗電流の低下は確認できなかった。また、実施例1、5、6の相対暗電流より、第二の有機半導体の含有量が10質量%以上の場合、第三の有機半導体を混合する事による暗電流低減効果が大きく、好ましいことが分かる。また、実施例1、5の相対暗電流より、第二の有機半導体の含有量が17質量%以上の場合、第三の有機半導体を混合する事による暗電流低減効果が大きく、より好ましいことが分かる。
In Comparative Examples 1, 4, 5, 6 and 7 shown in Table 5, the photoelectric conversion layer is composed of two materials, compound 2 as a first organic semiconductor and
表6に示す、比較例1は光電変換層が第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての化合物3の2材料によって構成されている。実施例3、8乃至11は、光電変換層が、第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての含有量が比較例1と同じ25質量%である化合物3に加え、第三の有機半導体としての、それぞれ表6に示す化合物を含有することにより構成されている。また、表6に示す光電変換素子において、化合物2はn型半導体であり、化合物3乃至8はp型半導体である。ここで、実施例3、8乃至11における相対暗電流は、比較例1に対する暗電流の比である。表6から、下記式(13)、式(14)におけるΔEox、ΔEredが0以上である、つまり、下記式(9)、式(10)の関係を満たす、実施例3、8乃至10は、第三の有機半導体含有による暗電流低減効果が大きいことが分かる。
ΔEox=(Eox3)-(Eox2) ・・・(13)
ΔEred=(Ered1)-(Ered3) ・・・(14)
Eox2≦Eox3 ・・・(9)
Ered1≧Ered3 ・・・(10)
In Comparative Example 1 shown in Table 6, the photoelectric conversion layer is composed of two materials, compound 2 as a first organic semiconductor and
ΔEx = (Ex3)-(Ex2) ... (13)
ΔRed = (Red1)-(Red3) ... (14)
Exo2≤Exo3 ... (9)
Red1 ≧ Red3 ・ ・ ・ (10)
ここで、実施例11はΔEoxが負である。実施例11の第三の有機半導体含有による暗電流低減効果は、ΔEoxが0以上である実施例3、8乃至10に比べて小さいことが分かる。 Here, in Example 11, ΔEx is negative. It can be seen that the dark current reduction effect due to the inclusion of the third organic semiconductor in Example 11 is smaller than that in Examples 3, 8 to 10 in which ΔEx is 0 or more.
一方、比較例9は光電変換層が第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての化合物7の2材料によって構成されている。実施例12は、光電変換層が、第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての含有量が比較例1と同じ25質量%である化合物7に加え、第三の有機半導体としての化合物3を含有する事によって構成されている。ここで、実施例12における相対暗電流は、比較例9に対する暗電流の比である。
これによって、ΔEoxが負である実施例11、12は、第三の有機半導体を混合する事による暗電流低減効果は認められるが、ΔEoxが0以上である、実施例3、8乃至10よりも、暗電流低減効果が小さいことが分かる。
On the other hand, in Comparative Example 9, the photoelectric conversion layer is composed of two materials, the compound 2 as the first organic semiconductor and the
As a result, in Examples 11 and 12 in which ΔEx is negative, the dark current reduction effect by mixing the third organic semiconductor is recognized, but more than in Examples 3 and 8 to 10 in which ΔEx is 0 or more. It can be seen that the dark current reduction effect is small.
表7に示す、比較例10は光電変換層が第一の有機半導体としての化合物7と、第二の有機半導体としての化合物2の2材料によって構成されている。実施例13は、光電変換層が、第一の有機半導体としての化合物7と、第二の有機半導体としての含有量が比較例1と同じ40質量%である化合物2に加え、第三の有機半導体としての化合物3を含有することによって構成されている。実施例1乃至12、比較例1乃至9は、第一の有機半導体がn型半導体、第二の有機半導体がp型半導体であるのに対し、比較例10、実施例13は、第一の有機半導体がp型半導体、第二の有機半導体がn型有機半導体である。ここで、実施例13における相対暗電流は、比較例10に対する暗電流の比である。
これによって、第一の有機半導体がp型半導体、第二の有機半導体がn型半導体である場合でも、第三の有機半導体を含有することによる暗電流低減効果が示された。
In Comparative Example 10 shown in Table 7, the photoelectric conversion layer is composed of two materials, a
As a result, even when the first organic semiconductor is a p-type semiconductor and the second organic semiconductor is an n-type semiconductor, the dark current reduction effect due to the inclusion of the third organic semiconductor is shown.
表8は実施例3の素子構成に対して、電子ブロッキング層、光電変換層、正孔ブロッキング層を構成する化合物を異なる化合物に変更しても、化合物の種類に因らず、第三の有機半導体を用いることによる暗電流低減効果が発現することを確認するものである。
表8中の実施例3、14乃至20における相対暗電流は、それぞれ、比較例1、13乃至18に対する暗電流の比である。実施例14乃至20の素子構成は、実施例3の素子構成に対して、電子ブロッキング層、正孔ブロッキング層、第一の有機半導体、第二の有機半導体、第三の有機半導体のいずれか1つ乃至2つを、異なる化合物に変更した素子構成である。表8より、実施例14乃至20は、第三の有機半導体を混合することによる暗電流低減効果が確認できた。
Table 8 shows the third organic substance regardless of the type of the compound, even if the compounds constituting the electron blocking layer, the photoelectric conversion layer, and the hole blocking layer are changed to different compounds with respect to the element configuration of Example 3. This is to confirm that the dark current reduction effect by using a semiconductor is exhibited.
The relative dark currents in Examples 3, 14 to 20 in Table 8 are the ratios of the dark currents to Comparative Examples 1, 13 to 18, respectively. The device configuration of Examples 14 to 20 is any one of an electron blocking layer, a hole blocking layer, a first organic semiconductor, a second organic semiconductor, and a third organic semiconductor with respect to the device configuration of the third embodiment. It is an element configuration in which one or two are changed to different compounds. From Table 8, it was confirmed that Examples 14 to 20 had the effect of reducing the dark current by mixing the third organic semiconductor.
実施例20、21、22、比較例19、22は、第二の有機半導体である化合物13と、第三の有機半導体である化合物14の含有量を変化させた素子構成である。実施例20、21、比較例19の相対暗電流は、比較例18に対する暗電流の比である。また、実施例22、比較例22の相対暗電流は、それぞれ比較例20、21に対する暗電流の比である。第二の有機半導体の含有量6質量%以上で且つ、第三の有機半導体の含有量が3質量%以上を満たす実施例20、21、22は、第三の有機半導体を混合することによる暗電流低減効果が確認できた。一方、第二の有機半導体の含有量が6質量%以上で且つ第三の有機半導体の含有量が3質量%以上を満たさない比較例19は、第三の有機半導体を混合することによる暗電流低減効果を確認できなかった。また、第三の有機半導体の含有量が3質量%以上で、第二の有機半導体の含有量が6質量%以上を満たさない比較例22は、第三の有機半導体を混合することによる暗電流低減効果を確認できなかった。
Examples 20, 21, 22, and Comparative Examples 19 and 22 have device configurations in which the contents of the
(検証実験)
暗電流の発生原因を解析するために、比較例1の光電変換素子の暗電流の温度依存性を測定してアレニウスプロットを行い、下記式(13)に従い活性化エネルギーを求めた。その結果を図11に示す。60℃(T/1000=3.0)くらいから高温側に向かって傾きが大きくなる。この傾きから次式(13)に従い活性化エネルギーを求めた。
(Verification experiment)
In order to analyze the cause of the dark current generation, the temperature dependence of the dark current of the photoelectric conversion element of Comparative Example 1 was measured and an Arrhenius plot was performed, and the activation energy was obtained according to the following equation (13). The result is shown in FIG. The inclination increases toward the high temperature side from about 60 ° C. (T / 1000 = 3.0). From this slope, the activation energy was obtained according to the following equation (13).
比較例11、12、実施例8の光電変換素子についても、比較例1と同様に活性化エネルギーを求めた。表9には、各光電変換素子における、光電変換層の構成と、化合物3を25質量%とした光電変換層が二元構成の光電変換素子(比較例1)の値によって規格化した、活性化エネルギーと暗電流をまとめた。
The activation energies of the photoelectric conversion elements of Comparative Examples 11 and 12 and Example 8 were also obtained in the same manner as in Comparative Example 1. Table 9 shows the activity of the photoelectric conversion layer in each photoelectric conversion element, and the activity standardized by the values of the photoelectric conversion element (Comparative Example 1) in which the photoelectric conversion layer containing 25% by mass of
表9より、光電変換層が二元構成の素子は、第二の有機半導体である化合物3の含有量を増やすにつれて、活性化エネルギーが小さくなり、暗電流が増大する事が分かる。その理由としては、第二の有機半導体の含有量が増えると、第二の有機半導体同士で会合し、HOMO準位の状態密度のエネルギー分布が広がるために、活性化エネルギーが小さくなり、暗電流が増大するためと考えられる。
From Table 9, it can be seen that in the element having the dual structure of the photoelectric conversion layer, the activation energy decreases and the dark current increases as the content of the
一方、実施例8の光電変換素子は、第三の有機半導体を混合している分、p型半導体の含有量(第二の有機半導体と第三の有機半導体の合計量)としては、比較例1よりも多いにも関わらず、活性化エネルギーは大きくなり、暗電流は低下している。これは、第一の有機半導体と第二の有機半導体に加えて第三の有機半導体を混合すると、第二の有機半導体同士が会合し、スタッキングによる相互作用が強まることを抑制することができるためと考えられる。その結果、HOMO準位の状態密度のエネルギー的な広がりを抑える事ができると考えられる。 On the other hand, the photoelectric conversion element of Example 8 is a comparative example in terms of the content of the p-type semiconductor (total amount of the second organic semiconductor and the third organic semiconductor) because the third organic semiconductor is mixed. Although it is more than 1, the activation energy is large and the dark current is low. This is because when the first organic semiconductor and the third organic semiconductor are mixed in addition to the second organic semiconductor, it is possible to suppress the association between the second organic semiconductors and the intensification of the interaction due to stacking. it is conceivable that. As a result, it is considered that the energetic spread of the density of states of the HOMO level can be suppressed.
表10に示す、比較例1は光電変換層が第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての化合物3の2材料によって構成されている。実施例3は、光電変換層が、第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての含有量が比較例1と同じ25質量%である化合物3に加え、第三の有機半導体としての化合物4を含有することによって構成されている。実施例3では、第一の有機半導体がn型半導体、第二の有機半導体がp型半導体、第三の有機半導体がp型半導体である。実施例23は、光電変換層が第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての含有量が比較例1と同じ25質量%である化合物3に加え、第三の有機半導体としての化合物10を含有することによって構成されている。実施例23では、第一の有機半導体がn型半導体、第二の有機半導体がp型半導体、第三の有機半導体がn型半導体である。
比較例1に対する暗電流の比である相対暗電流は、実施例23よりも実施例3の方が小さかった。ここから、第一の有機半導体がn型半導体、第二の有機半導体がp型半導体である場合は、第三の有機半導体がp型半導体であることが好ましいことが分かる。
In Comparative Example 1 shown in Table 10, the photoelectric conversion layer is composed of two materials, compound 2 as a first organic semiconductor and
The relative dark current, which is the ratio of the dark current to Comparative Example 1, was smaller in Example 3 than in Example 23. From this, it can be seen that when the first organic semiconductor is an n-type semiconductor and the second organic semiconductor is a p-type semiconductor, it is preferable that the third organic semiconductor is a p-type semiconductor.
比較例10は光電変換層が第一の有機半導体としての化合物7と、第二の有機半導体としての化合物2の2材料によって構成されている。実施例13は、光電変換層が、第一の有機半導体としての化合物7と、第二の有機半導体としての含有量が比較例1と同じ40質量%である化合物2に加え、第三の有機半導体としての化合物3を含有することによって構成されている。実施例13では、第一の有機半導体がp型半導体、第二の有機半導体がn型半導体、第三の有機半導体がp型半導体である。実施例24は、光電変換層が第一の有機半導体としての化合物2と、第二の有機半導体としての含有量が比較例1と同じ40質量%である化合物3に加え、第三の有機半導体としての化合物10を含有することによって構成されている。実施例24では、第一の有機半導体がp型半導体、第二の有機半導体がn型半導体、第三の有機半導体がn型半導体である。
比較例10に対する暗電流の比である相対暗電流は、実施例13よりも実施例24の方が小さかった。ここから、第一の有機半導体がp型半導体、第二の有機半導体がn型半導体である場合は、第三の有機半導体がn型半導体であることが好ましいことが分かる。
In Comparative Example 10, the photoelectric conversion layer is composed of two materials, a
The relative dark current, which is the ratio of the dark current to Comparative Example 10, was smaller in Example 24 than in Example 13. From this, it can be seen that when the first organic semiconductor is a p-type semiconductor and the second organic semiconductor is an n-type semiconductor, it is preferable that the third organic semiconductor is an n-type semiconductor.
(変換効率の評価結果)
高S/N比を得る第一、第二、第三の有機半導体の組合せについて検証した。先ず、一対のp型-n型半導体の組み合わせ毎の変換効率(η)を事前に評価しておくために、各p型半導体を25質量%含んだ光電変換層を有する光電変換素子を、上記実施例と同様な方法で作製して評価を行った。下記表11には一対のp型-n型半導体の組み合わせによる光電変換素子のEQEピークと変換効率について示した。変換効率(η)は、
変換効率(η)=EQE/光電変換層の吸収率 ・・・(8)
の関係より、EQE及び光電変換層の吸収率を別途求めてから計算した値である。EQEピーク波長は、暗所に置いた光電変換素子に対して、分光感度光源と半導体パラメータアナライザー(Agilent社「4155C」)を用いて、各波長の光を照射時と非照射時の電流を測定して光電流を求めた。その光電流を電子数に換算し、入射光子数で除してEQEとした。それにより各波長のEQEを測定して分光感度特性を取得し、最も長波長側の感度ピーク波長を求めた。また、各材料の励起エネルギーの指標としてバンドギャップも示した。このバンドギャップはそれぞれの100%膜を100nm程度の膜厚で真空蒸着により成膜した薄膜の吸収スペクトル測定から算出した。
光電変換層の変換効率は、当該光電変換層を有する光電変換素子の変換効率(η)から見積もることができる。
(Evaluation result of conversion efficiency)
The combination of the first, second, and third organic semiconductors to obtain a high S / N ratio was verified. First, in order to evaluate in advance the conversion efficiency (η) for each combination of a pair of p-type-n-type semiconductors, the photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer containing 25% by mass of each p-type semiconductor is described above. It was prepared and evaluated by the same method as in the examples. Table 11 below shows the EQE peak and conversion efficiency of the photoelectric conversion element by combining a pair of p-type-n-type semiconductors. The conversion efficiency (η) is
Conversion efficiency (η) = Absorption rate of EQE / photoelectric conversion layer ... (8)
It is a value calculated after separately obtaining the absorption rate of the EQE and the photoelectric conversion layer from the relationship of. The EQE peak wavelength measures the current when light of each wavelength is irradiated and when it is not irradiated, using a spectral sensitivity light source and a semiconductor parameter analyzer (Agient Co., Ltd. "4155C") for a photoelectric conversion element placed in a dark place. And the optical current was calculated. The photocurrent was converted into the number of electrons and divided by the number of incident photons to obtain EQE. As a result, the EQE of each wavelength was measured to obtain the spectral sensitivity characteristics, and the sensitivity peak wavelength on the longest wavelength side was obtained. The bandgap is also shown as an index of the excitation energy of each material. This bandgap was calculated from the absorption spectrum measurement of a thin film formed by vacuum deposition of each 100% film with a film thickness of about 100 nm.
The conversion efficiency of the photoelectric conversion layer can be estimated from the conversion efficiency (η) of the photoelectric conversion element having the photoelectric conversion layer.
表11における変換効率(η)の評価基準は、駆動電圧5Vにおける光電変換素子の変換効率で、下記のようにした。
A:η≧80
B:80>η≧60
C:η<60
The evaluation standard of the conversion efficiency (η) in Table 11 is the conversion efficiency of the photoelectric conversion element at a drive voltage of 5 V, which is as follows.
A: η ≧ 80
B: 80> η ≧ 60
C: η <60
尚、上記の光電変換素子構成においては、第二の有機半導体の含有量を25質量%としているが、各組み合せを比較する上での指標としているのであり、変換効率(η)を評価するために25質量%に限定されるものではない。例えば、本発明者等は上記の変換効率(η)は第二の有機半導体の含有量が15乃至50質量%程度まではほぼ一定であることを確認しており、そのような含有量範囲を踏まえて最大の変換効率値が決定されていればよい。
また、上記の結果から化合物2のフラーレンC60をn型半導体として用いても変換効率(η)には影響がないことがわかる。これはC60の可視部における吸収遷移が禁制遷移でありモル吸光係数が1000molL-1cm-1未満でありエネルギー受容体として有効に機能しないことを示している。
上記を踏まえて、表2に記載の第一の有機半導体層を形成する第一、第二、第三の有機半導体を下記表12に示す構成のようにした光電変換素子を作製し、その光電変換素子の変換効率(η)を評価した。
表12には、よりS/N比の優れた光電変換素子を得るために、表11の結果をもとに、本発明の光電変換素子の光電変換層の構成と変換効率(η)との関係について示す。尚、下記表12中の実施例の光電変換素子は、光電変換層以外の部分は上記した実施例と同様の方法で作製したものである。また変換効率(η)は表11における感度ピークに近い500nmの値を採用し本発明の効果を検証した。
In the above photoelectric conversion element configuration, the content of the second organic semiconductor is 25% by mass, but it is used as an index for comparing each combination, and the conversion efficiency (η) is evaluated. It is not limited to 25% by mass. For example, the present inventors have confirmed that the above conversion efficiency (η) is almost constant from the content of the second organic semiconductor to about 15 to 50% by mass, and such a content range is set. It suffices if the maximum conversion efficiency value is determined based on this.
Further, from the above results, it can be seen that the conversion efficiency (η) is not affected even if the fullerene C60 of compound 2 is used as an n-type semiconductor. This indicates that the absorption transition in the visible part of C60 is a forbidden transition and the molar absorption coefficient is less than 1000 molL -1 cm -1 and does not function effectively as an energy receptor.
Based on the above, a photoelectric conversion element having the first, second, and third organic semiconductors forming the first organic semiconductor layer shown in Table 2 as shown in Table 12 below was produced, and the photoelectric conversion element was manufactured. The conversion efficiency (η) of the conversion element was evaluated.
In Table 12, in order to obtain a photoelectric conversion element having a better S / N ratio, the configuration of the photoelectric conversion layer of the photoelectric conversion element of the present invention and the conversion efficiency (η) are shown based on the results of Table 11. The relationship is shown. The photoelectric conversion element of the examples in Table 12 below is manufactured by the same method as that of the above-mentioned embodiment except for the photoelectric conversion layer. Further, the conversion efficiency (η) adopted the value of 500 nm close to the sensitivity peak in Table 11 and the effect of the present invention was verified.
上記結果について解説する。実施例25乃至50にあるように、長波長側にEQEピークを有する方が変換効率(η)も高いp型-n型半導体の組み合わせを有する光電変換素子においては変換効率(η)が高かった。実施例25乃至30においては、化合物2と4のみの光電変換素子に対して、より長波長側にEQEピークを有し、変換効率(η)の高い化合物2と3の組合せを含む本発明の光電変換素子は、変換効率(η)がより高い結果となった。特に、実施例31乃至35,38乃至39,44乃至46の光電変換素子においては、化合物2と化合物6,13,15,16,18のいずれかとの組み合わせを含むことにより、特に高い変換効率(η)を示していた。
一方で化合物2と、化合物4、5、14の中で組み合わせたp型-n型半導体の組み合わせを有する光電変換素子は実施例48乃至52に示すように、変換効率(η)が低かった。これは、実施例48乃至52の素子は、化合物2と14のみの光電変換素子に対して、より長波長側にEQEピークを有し、変換効率(η)の低い化合物2と4または化合物2と5の組み合わせを含む素子だからである。
The above results will be explained. As shown in Examples 25 to 50, the conversion efficiency (η) was higher in the photoelectric conversion element having the combination of the p-type −n type semiconductor, which had the EQE peak on the long wavelength side. .. In Examples 25 to 30, the present invention comprises a combination of
On the other hand, as shown in Examples 48 to 52, the photoelectric conversion element having the combination of the compound 2 and the p-type −n type semiconductor combined in the
また、実施例47においては、励起エネルギーを受容する側を構成するp型-n型半導体の組み合わせとなる化合物2と化合物3のうち、化合物3の含有量が少ないことで、有効な励起エネルギー捕集ができていないため、変換効率は上昇しなかった。
Further, in Example 47, among the compound 2 and the
また、実施例25乃至52では、これまでの実施例で挙げたような第三の有機半導体の含有に伴い0.1乃至0.6倍程度の暗電流の低下効果が見られた。尚、実施例3と実施例25、実施例8と実施例40、実施例20と実施例43はそれぞれ同じ組成の光電変換層を有している。 Further, in Examples 25 to 52, the effect of reducing the dark current by about 0.1 to 0.6 times was observed due to the inclusion of the third organic semiconductor as described in the previous Examples. In addition, Example 3 and Example 25, Example 8 and Example 40, and Example 20 and Example 43 each have a photoelectric conversion layer having the same composition.
よって、第一、第二、第三の有機半導体から選択される、一種のp型半導体と一種のn型半導体から構成される、互いに異なる光電変換層を備えた2つの光電変換素子において、短波長側にEQEピークを持つ光電変換素子より長波長側にEQEピークを有する光電変換素子の変換効率(η)が高いことにより、高い感度の光電変換素子が得られる。且つ、暗電流も低下する。これにより高いS/N比の光電変換素子が得られる。 Therefore, in two photoelectric conversion elements having different photoelectric conversion layers, which are selected from the first, second, and third organic semiconductors and are composed of a kind of p-type semiconductor and a kind of n-type semiconductor, they are short. Since the conversion efficiency (η) of the photoelectric conversion element having the EQE peak on the long wavelength side is higher than that of the photoelectric conversion element having the EQE peak on the wavelength side, a photoelectric conversion element having high sensitivity can be obtained. Moreover, the dark current is also reduced. As a result, a photoelectric conversion element having a high S / N ratio can be obtained.
(溶解度パラメータの計算結果)
第二、第三の有機半導体同士が選択的に混和しやすくなることで、第二の有機半導体同士の会合による、HOMO、LUMO準位の状態密度のエネルギー的な広がりを形成する現象が抑制される。実施例中のいくつかの有機半導体について計算を行い、SP値が前述した式(2)乃至(7)で示される関係になっているかを検証した。以下に各有機半導体のSP値の関係をまとめた表13を示す。なお、SP値において、第一の有機半導体である化合物2はC60であることから非特許文献3に記載の値を用いた。第二と第三の有機半導体のSP値については、非特許文献2に基づき計算により求めた。
(Calculation result of solubility parameter)
By making it easier for the second and third organic semiconductors to be selectively mixed with each other, the phenomenon of forming an energetic spread of the density of states of the HOMO and LUMO levels due to the association between the second organic semiconductors is suppressed. To. Calculations were performed on some organic semiconductors in the examples, and it was verified whether the SP values had the relationship represented by the above-mentioned equations (2) to (7). Table 13 summarizes the relationship between the SP values of each organic semiconductor is shown below. As for the SP value, since the compound 2 which is the first organic semiconductor is C60, the value described in
また、表13の検証例Eに含まれる化合物6をジメチルアントラセン(SP3=20.2)に替えた以外は同様の素子を作製した。その素子の暗電流を評価したところ相対暗電流(三元/二元)は、約0.9であり、暗電流の低下は確認されたが、暗電流の低下量は他の素子に比べて小さかった。 Further, a similar device was produced except that the compound 6 contained in the verification example E in Table 13 was replaced with dimethylanthracene (SP3 = 20.2). When the dark current of the element was evaluated, the relative dark current (ternary / binary) was about 0.9, and a decrease in dark current was confirmed, but the amount of decrease in dark current was compared with other elements. It was small.
以上の通り、本発明に係る三元構成の光電変換素子は、第三の有機半導体の質量を3質量%以上とすることで、低い暗電流特性が得られている。 As described above, in the photoelectric conversion element having a ternary configuration according to the present invention, low dark current characteristics are obtained by setting the mass of the third organic semiconductor to 3% by mass or more.
以上のことから本発明の有機光電変換素子は、低い暗電流という特性の優れた素子となる。よって、本発明の有機光電変換素子を用いた光エリアセンサや撮像素子、撮像装置においては、光電変換素子に由来する暗電流ノイズを少なくすることができる。 From the above, the organic photoelectric conversion element of the present invention is an element having an excellent characteristic of low dark current. Therefore, in the optical area sensor, the image pickup device, and the image pickup device using the organic photoelectric conversion element of the present invention, the dark current noise derived from the photoelectric conversion element can be reduced.
1:光電変換層、4:カソード、5:アノード、6:読み出し回路、10:光電変換素子 1: Photoelectric conversion layer, 4: Cathode, 5: Anode, 6: Read circuit, 10: Photoelectric conversion element
Claims (18)
前記第一の有機半導体と前記第二の有機半導体と前記第三の有機半導体はいずれも低分子有機半導体であり、
前記第一の有機半導体と前記第二の有機半導体のうち、一方がp型半導体であり、他方がn型半導体であり、
前記第一の有機半導体と前記第二の有機半導体と前記第三の有機半導体の質量比が、
第一の有機半導体≧第二の有機半導体≧第三の有機半導体
であり、
前記第一の有機半導体と前記第二の有機半導体と前記第三の有機半導体の合計を100質量%とした時、前記第二の有機半導体の含有量が6質量%以上であり、前記第三の有機半導体の含有量が3質量%以上であり、
前記第一の有機半導体の溶解度パラメータをSP1とし、前記第二の有機半導体の溶解度パラメータをSP2とし、前記第三の有機半導体の溶解度パラメータをSP3とする場合、前記SP1、前記SP2、前記SP3が、下記式(2)および(3)を満たすことを特徴とする光電変換素子。
|SP1-SP2|>|SP2-SP3| ・・・(2)
|SP1-SP3|>|SP2-SP3| ・・・(3) In a photoelectric conversion element having at least an anode, a photoelectric conversion layer, and a cathode in this order, wherein the photoelectric conversion layer is composed of at least a first organic semiconductor, a second organic semiconductor, and a third organic semiconductor. ,
The first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor are all low molecular weight organic semiconductors.
Of the first organic semiconductor and the second organic semiconductor, one is a p-type semiconductor and the other is an n-type semiconductor.
The mass ratio of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor is
The first organic semiconductor ≧ the second organic semiconductor ≧ the third organic semiconductor,
When the total of the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor is 100% by mass, the content of the second organic semiconductor is 6% by mass or more, and the third. The content of organic semiconductors in Japan is 3% by mass or more .
When the solubility parameter of the first organic semiconductor is SP1, the solubility parameter of the second organic semiconductor is SP2, and the solubility parameter of the third organic semiconductor is SP3, the SP1, the SP2, and the SP3 , A photoelectric conversion element characterized by satisfying the following equations (2) and (3) .
| SP1-SP2 |>| SP2-SP3 | ・ ・ ・ (2)
| SP1-SP3 |>| SP2-SP3 | ・ ・ ・ (3)
Eox2≦Eox3
Ered1≧Ered3
を満たすことを特徴とする請求項4又は5に記載の光電変換素子。 When the oxidation potential of the second organic semiconductor is Ex2, the oxidation potential of the third organic semiconductor is Ex3, the reduction potential of the first organic semiconductor is Red1, and the reduction potential of the third organic semiconductor is Red3. , The relationship between each potential is
Exo2≤Exo3
Red1 ≧ Red3
The photoelectric conversion element according to claim 4 or 5, characterized in that the above conditions are satisfied.
|SP1-SP2|≧2.5 ・・・(4)
|SP1-SP3|≧2.5 ・・・(5)
|SP2-SP3|≦2.5 ・・・(6) The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6 , wherein the SP1, the SP2, and the SP3 satisfy the following formula.
| SP1-SP2 | ≧ 2.5 ・ ・ ・ (4)
| SP1-SP3 | ≧ 2.5 ・ ・ ・ (5)
| SP2-SP3 | ≦ 2.5 ・ ・ ・ (6)
|SP2-SP3|≦1 ・・・(7) The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7, wherein the SP2 and the SP3 satisfy the following formula.
| SP2-SP3 | ≦ 1 ・ ・ ・ (7)
R1は水素原子、ハロゲン原子、置換或いは無置換のアルキル基、置換或いは無置換のアルコキシ基、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のアミノ基、シアノ基を表す。
n1、n2、n3はそれぞれ独立に0乃至4の整数を表す。
X1乃至X3は窒素原子、硫黄原子、酸素原子、置換基を有してもよい炭素原子のいずれかを表す。
Ar1及びAr2は置換或いは無置換のアリーレン基、又は置換或いは無置換の二価の複素環基からそれぞれ独立に選ばれる。Ar1及びAr2が複数ある場合はそれぞれ同じでも異なってもよく、Ar1及びAr2はX2或いはX3が炭素原子の場合、互いに結合して環を形成してもよい。
Z1はハロゲン原子、シアノ基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のヘテロアリール基又は以下の一般式[1-1]乃至[1-9]で表される置換基のいずれかを表す。
R20乃至R29は水素原子、ハロゲン原子、置換或いは無置換のアルキル基、置換或いは無置換のアルコキシ基、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のアミノ基、シアノ基からそれぞれ独立に選ばれる。R20乃至R29のうちの隣り合う2つは互いに結合して環を形成してもよい。)
Mは金属原子であり、前記金属原子は酸素原子又はハロゲン原子を置換基として有してもよい。
L1乃至L9は金属Mに配位する配位子であって、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基からなり、それぞれL1乃至L9のうちの隣り合う2つは互いに結合して環を形成してもよい配位子を表す。) Among the first organic semiconductor, the second organic semiconductor, and the third organic semiconductor, the organic semiconductor which is a p-type semiconductor is a compound represented by the following general formulas [1] to [5], a quinacridone derivative, and the like. The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 8 , wherein the photoelectric conversion element is any one of a 3H-phenoxazine-3-one derivative.
R 1 is a hydrogen atom, a halogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted heterocyclic group, a substituted or unsubstituted vinyl group, Represents a substituted or unsubstituted amino group or cyano group.
n 1 , n 2 , and n 3 independently represent integers of 0 to 4, respectively.
X 1 to X 3 represent any of a nitrogen atom, a sulfur atom, an oxygen atom, and a carbon atom which may have a substituent.
Ar 1 and Ar 2 are independently selected from a substituted or unsubstituted arylene group or a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group, respectively. When there are a plurality of Ar 1 and Ar 2 , they may be the same or different, and when X 2 or X 3 is a carbon atom, Ar 1 and Ar 2 may be bonded to each other to form a ring.
Z 1 is a halogen atom, a cyano group, a substituted or unsubstituted vinyl group, a substituted or unsubstituted heteroaryl group, or any of the substituents represented by the following general formulas [1-1] to [1-9]. Represents.
R 20 to R 29 are hydrogen atom, halogen atom, substituted or unsubstituted alkyl group, substituted or unsubstituted alkoxy group, substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted heterocyclic group, substituted or unsubstituted. It is independently selected from a vinyl group, a substituted or unsubstituted amino group, and a cyano group. Two adjacent two of R 20 to R 29 may be combined with each other to form a ring. )
M is a metal atom, and the metal atom may have an oxygen atom or a halogen atom as a substituent.
L 1 to L 9 are ligands coordinated to the metal M and consist of a substituted or unsubstituted aryl group and a substituted or unsubstituted heterocyclic group, which are adjacent 2 of L 1 to L 9 , respectively. Represents a ligand that may be bonded to each other to form a ring. )
RR 391391 乃至RTo R 396396 は水素原子、ハロゲン原子、置換或いは無置換のアルキル基、置換或いは無置換のアルコキシ基、置換或いは無置換のアリール基、置換或いは無置換の複素環基、置換或いは無置換のビニル基、置換或いは無置換のアミノ基、シアノ基からそれぞれ独立に選ばれる。RIs a hydrogen atom, a halogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted heterocyclic group, a substituted or unsubstituted vinyl group, a substituted or It is independently selected from an unsubstituted amino group and a cyano group. R 391391 乃至RTo R 396396 のうちの隣接する2つは、互いに結合して環を形成してもよい。)Adjacent two of them may be combined with each other to form a ring. )
前記光電変換素子は請求項1乃至13のいずれか一項に記載の光電変換素子であることを特徴とする光エリアセンサ。 An optical area sensor having a plurality of pixels including a photoelectric conversion element, and the plurality of pixels are arranged two-dimensionally.
The optical area sensor according to any one of claims 1 to 13, wherein the photoelectric conversion element is the photoelectric conversion element.
前記光電変換素子は請求項1乃至13のいずれか一項に記載の光電変換素子であることを特徴とする撮像素子。 An image pickup device having a plurality of pixels including a photoelectric conversion element and a readout circuit connected to the photoelectric conversion element, and a signal processing circuit connected to the pixels.
The image pickup element according to any one of claims 1 to 13, wherein the photoelectric conversion element is the photoelectric conversion element.
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| XIAO, Xin et al.,Small-Molecule Photovoltaics Based on Functionalized Squaraine Donor Blends,ADVANCED MATERIALS,2012年03月26日,Vol.24,pp.1956-1960 |
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