JP6312456B2 - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Description
有機薄膜太陽電池では、ドナー分子とアクセプタ分子を組み合わせた薄膜が形成される。アクセプタ材料として一般に用いられているフラーレン誘導体は、電子移動度が速く、逆電子移動が遅いという利点がある反面、近赤外領域付近に強い吸収を持たないことから、有機薄膜太陽電池の高効率化には、長波長領域の吸収を持つドナー材料の開発が非常に重要となる。
高分子型材料は、変換効率8%程度まで向上しているが、高分子材料の生成及び高純度化が困難であり、製造ロット間の特性変化が大きく、品質を保つことが難しい。
また、高効率を達成している材料においても、一般的に有機溶媒への溶解性が低く、塗布型有機薄膜太陽電池を作製する際に、オルトジクロロベンゼン、クロロホルム等のハロゲン系の溶媒を使用しなければならず、環境面での課題を有していた。
本発明者らは、このような低分子材料として、スクアリリウム誘導体に注目し、これを骨格とした誘導体による新規ドナー材料の開発を検討した。
スクアリリウム誘導体の末端側鎖をこのような置換基とすることにより、近赤外領域における広く、かつ強い吸収と、非ハロゲン系有機溶媒に対する溶解性の向上が図られる。
前記スクアリリウム誘導体は、逆電子移動が遅く、高い対称性を持つアクセプタ材料に適したドナー材料である。
このような有機薄膜太陽電池は、塗布プロセスによるデバイス作製時の脱ハロゲン化及び高効率化が可能となる。
本発明に係るスクアリリウム誘導体は、前記一般式(1)で表される化合物である。
前記式(1)において、R1は置換又は無置換の芳香族炭化水素基であり、R2は炭素数が4以上の置換又は無置換の脂肪族炭化水素基である。
このようなスクアリリウム誘導体は、新規化合物であり、両末端のアミノ基の窒素原子に結合する置換基(側鎖)の1つに芳香族炭化水素基を有することにより、深いHOMO及び近赤外領域における広い吸収を持つことができ、また、もう1つに脂肪族炭化水素基を有することにより、非ハロゲン系有機溶媒に対する溶解性の向上が図られる。
芳香族炭化水素基は、単環のアリール基でも、多環(縮合環)芳香族炭化水素基でもよい。また、置換基を有するものであってもよい。
一方、脂肪族炭化水素基は、ここでは、広く、芳香族化合物でない炭素化合物による置換基を意味するものとし、環式でも非環式でもよく、また、置換基を有するものであってもよい。例えば、長鎖アルキル基やアルキニル基、シクロアルキル基、エーテル基等が挙げられる。
このような方法によれば、低コストでの大量合成が可能である。
特に、前記スクアリリウム誘導体をドナー材料とし、アクセプタ材料とともに、活性層4を構成することにより、高効率の有機薄膜太陽電池を提供することができる。
前記各層の膜厚は、各層同士の適応性や求められる全体の層厚さ等を考慮して、適宜状況に応じて定められるが、通常、5nm〜5μmの範囲内であることが好ましい。
(スクアリリウム誘導体の合成)
本発明に係るスクアリリウム誘導体の代表例として、SQ−BP及びSQ−DcPの合成例を以下に示す。N−アルキルアニリンから前駆体を合成後、スクアリン酸との反応により、SQ−BP及びSQ−DcPをそれぞれ合成した。なお、各工程における目的物の同定は、1H−NMR、マススペクトルにて行った。
(1−1)N−(3,5−ジメトキシフェニル)−ブチルアニリンの合成
トルエン100ml程度を入れて分液ロートに移し、イオン交換水150mlを加え、有機層を抽出し、飽和食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:トルエン)で精製し、飴状の黄色の物質2.41g(収率84%)を得た。
分液により酸等を除去し、硫酸マグネシウムで乾燥させた。シリカゲルクロマトグラフィー(展開溶媒:塩化メチレン)で精製し、アセトンで回収し、茶色の飴状の物質1.64g(収率66%)を得た。
反応系の溶媒を、ディーンスターク管を用いて10ml程度まで濃縮し、シクロヘキサン30mlを入れ、再度10ml程度まで濃縮した。ナスフラスコに移して、シクロヘキサンを30ml程度加え、目的物を析出させた後、溶媒が少量残る程度までさらに濃縮した。再度、シクロヘキサンを30ml程度加えて、目的物を析出させ、吸引ろ過し、メタノールとヘキサンによる分散洗浄を行い、金属光沢のある緑色の粉末1.78g(収率88%)を得た。塩化メチレンに完全に溶解させ、撹拌しているメタノールに滴下して、再沈殿により精製した。
(2−1)N−(3,5−ジメトキシフェニル)−ドデシルアニリンの合成
分液により触媒や塩などを取り除き、硫酸マグネシウムで乾燥させた。シリカゲルクロマトグラフィー(展開溶媒:トルエン)で精製し、黄色の飴状の物質3.88g(収率95%)を得た。
分液により酸等を除去し、硫酸マグネシウムで乾燥させた。シリカゲルクロマトグラフィー(展開溶媒:塩化メチレン)で精製し、塩化メチレン:酢酸エチル(20:1)で回収し、茶色の飴状の物質2.48g(収率70%)を得た。
反応系の溶媒を、ディーンスターク管を用いて10ml程度まで濃縮し、シクロヘキサン30mlを入れ、再度10ml程度まで濃縮した。再度、シクロヘキサン30mlを入れ、10ml程度まで濃縮後、室温まで冷却した。これに、シクロヘキサン30mlを加え、析出物をろ過し、メタノールとヘキサンによる分散洗浄後、減圧乾燥し、金属光沢のある緑色の粉末2.2g(収率82%)を得た。
SQ−DcPは、クロロホルムにも、トルエンやTHF等の等の非ハロゲン系溶媒にも、高い溶解性を示した。
TGAにより熱分解温度Tdを測定した。
各スクアリリウム誘導体の1×10-6Mクロロホルム溶液を調製し、紫外−可視光吸収スペクトル測定により、溶液のモル吸係数ε及び最大吸収ピーク波長λmaxを求めた。
また、各スクアリリウム誘導体の2mg/mlクロロホルム溶液を調製し、これを石英基板上にスピンコート(2000rpm、20秒間)により成膜した固体薄膜について、紫外−可視光吸収スペクトル測定により、最大吸収ピーク波長λmaxを求めた。
各スクアリリウム誘導体の0.5mM塩化メチレン溶液を調製し、フェロセンを基準に、HOMO/LUMOを求めた。
ITO基板上に、各スクアリリウム誘導体を塗布成膜し、イオン化ポテンシャルIpを測定した。
また、SQ−BP及びSQ−DcPは、可視光〜近赤外領域(500〜700nm)にかけて広く、強い吸収を示すことから、十分な太陽光の吸収が期待される。
さらに、SQ−BP及びSQ−DcPは、HOMO、LUMOともに同等の値を示し、LUMOが、アクセプタ材料となるPC70BMのLUMOレベル4.0eVよりも浅く、電荷分離に適したエネルギー準位であることが認められた。
各スクアリリウム誘導体(SQ)をドナー材料として用い、フラーレン誘導体PC70BMを用いて、図1に示すような層構造の有機薄膜太陽電池素子を作製した。具体的には、以下のようにして作製した。
まず、ガラス基板1上にITOが膜厚140nmで成膜された正極2上に、正孔輸送層3としてMoO3を膜厚6nmで真空蒸着により成膜した。
その上に、ドナーとしてSQ、アクセプタとしてPC70BMの混合比1:3(質量比)の20mg/mlクロロホルム溶液をスピンコート(2500rpm、40秒間)し、活性層4を膜厚70nmで成膜した。
そして、電子輸送層5として、下記に示すBCPを膜厚10nmでスピンコートにより成膜し、その上に、負極6としてAlを膜厚100nmで真空蒸着により成膜した。
2 正極
3 正孔輸送層
4 活性層
5 電子輸送層
6 負極
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