JP7013163B2 - 有機化合物及び光電変換素子 - Google Patents
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Description
光電変換素子として、光電変換層に求められる特性として、可視光全域に吸収を有し、その感度が高いことである。そのためには、ドナー材料には赤領域(600乃至750nm)の吸収があり、その感度が高いことが好ましい。
特許文献1には、チエノベンゾフラン構造を有する有機化合物a-1が記載され、これを用いた有機発光素子が記載されている。特許文献2には、チエノベンゾチオフェン構造を有する有機化合物b-1が記載され、これを用いた色素増感型太陽電池が記載されている。
本発明は、上述した課題を解決するためになされるものであり、可視光領域の広い範囲に光吸収を有し、熱安定性に優れた有機化合物を提供することを目的とする。
Ar3は、フェニレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基、フェナントリレン基、フルオレニレン基、ピリジレン基、キノリレン基、イソキノリレン基、チエニレン基、フラニレン基、ベンゾチエニレン基、ベンゾフラニレン基からそれぞれ独立に選ばれ、mは0以上3以下の整数を表し、mが2または3の場合、前記Ar3はそれぞれ同じでも異なっても良い。
R1乃至R4は、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基からそれぞれ独立に選ばれる。前記R 1 乃至前記R 4 で表されるアリール基は、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフチル基、フェナンスレニル基、クリセニル基、ピレニル基、フルオレニル基、またはフルオランテニル基であり、前記R 1 乃至前記R 4 で表されるヘテロアリール基は、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリジダゾイル基、トリアジル基、ピロール基、フラニル基、チエニル基、イミダゾール基、ピラゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、イミダゾリン基、チアジン基、キノリニル基、イソキノリニル基、アザフェナンスレニル基、フェナントロニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、ベンゾフラニル基、またはジベンゾフラニル基である。前記R1乃至前記R4で表されるアルキル基はハロゲン原子を置換基として有してもよい。前記R1乃至前記R4で表されるアリール基及びヘテロアリール基はハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基を置換基としてさらに有してもよい。
X1及びX2は、酸素及び硫黄からそれぞれ独立に選ばれる。
一般式[4]において、*は結合する位置を示しており、下記一般式[2-1]乃至[2-9]のいずれかが、*の位置で結合している。
R1乃至R4は、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基からそれぞれ独立に選ばれる。前記R1乃至前記R4で表されるアリール基は、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフチル基、フェナンスレニル基、クリセニル基、ピレニル基、フルオレニル基、またはフルオランテニル基であり、前記R1乃至前記R4で表されるヘテロアリール基は、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリジダゾイル基、トリアジル基、ピロール基、フラニル基、チエニル基、イミダゾール基、ピラゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、イミダゾリン基、チアジン基、キノリニル基、イソキノリニル基、アザフェナンスレニル基、フェナントロニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、ベンゾフラニル基、またはジベンゾフラニル基である。前記R1乃至前記R4で表されるアルキル基はハロゲン原子を置換基として有してもよい。前記R1乃至前記R4で表されるアリール基及びヘテロアリール基はハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基を置換基としてさらに有してもよい。
R7は、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、アミノ基、アミド基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフチル基、フェナンスレニル基、クリセニル基、ピレニル基、フルオレニル基、フルオランテニル基、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリジダゾイル基、トリアジル基、ピロール基、フラニル基、チエニル基、イミダゾール基、ピラゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、イミダゾリン基、チアジン基、キノリニル基、イソキノリニル基、アザフェナンスレニル基、フェナントロニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、ベンゾフラニル基、ジベンゾフラニル基からそれぞれ独立に選ばれる。前記R7は、ハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフチル基、フェナンスレニル基、クリセニル基、ピレニル基、フルオレニル基、フルオランテニル基、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリジダゾイル基、トリアジル基、ピロール基、フラニル基、チエニル基、イミダゾール基、ピラゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、イミダゾリン基、チアジン基、キノリニル基、イソキノリニル基、アザフェナンスレニル基、フェナントロニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、ベンゾフラニル基、またはジベンゾフラニル基を置換基として有してもよい。
X1及びX2は、酸素及び硫黄からそれぞれ独立に選ばれる。
また、本発明は、下記式[A-1]乃至[A-21]、式[C-1]乃至[C-18]、式[E-1]乃至[E-9]、式[G-1]乃至[G-6]のいずれかで表されることを特徴とする有機化合物を提供する。
本発明に係る有機化合物は、下記一般式[1]で表わされる。
一般式[1]において、Ar1およびAr2は、アリール基、ヘテロアリール基からそれぞれ独立に選ばれる。
一般式[1]において、Ar3は、アリーレン基またはヘテロアリーレン基からそれぞれ独立に選ばれ、mは0以上3以下の整数、好ましくは0を表わし、mが2または3の場合、Ar3はそれぞれ同じでも異なっても良い。mが0の場合、当該箇所は直接結合を表す。
一般式[1]において、R1乃至R4は、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基からそれぞれ独立に選ばれる。ハロゲン原子、アルキル基、アリール基およびヘテロアリール基の具体例は上記Ar1およびAr2について例示した通りである。アルキル基はハロゲン原子を置換基として有してもよい。アリール基及びヘテロアリール基はハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基を置換基として有してもよい。ハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基の具体例は上記Ar1およびAr2について例示した通りである。
一般式[1]において、X1及びX2は、酸素及び硫黄からそれぞれ独立に選ばれる。X1が酸素であり、X2が硫黄である場合、環構造の歪が小さく化合物の安定性が高いので好ましい。
一般式[1]において、Qは、下記一般式[1-1]及び[1-2]から独立に選ばれる電子吸引性の置換基である。尚、一般式[1-1]及び[1-2]において、*は結合する位置を示している。
Qが一般式[1-2]であり、R8とR9が互いに結合して環を形成することで、吸収波長の長波長化及び熱安定性、特に融点が高いので好ましい。形成される環の構造の例を以下一般式[2-1]乃至[2-9]に示す。尚、*は結合する位置を示しており、左側の化学式と、一般式[2-1]乃至[2-9]に示す化学式のいずれかが、*の位置で結合する。
(1)パンクロマティック性能
パンクロマティック性能とは、可視光全域において高い吸収感度を有する能力のことである。
本発明に係る有機化合物はチエノベンゾフラン骨格等の基本骨格にアミノ基を有することが特徴で電子供与性が高く、フラーレン類縁体等のn型半導体と共に光電変換層に用いることで電子ドナーとして機能し、良好な光電変換を行う。また、酸化還元安定性が高く光電変換素子の繰り返し使用耐久性が高い。
本発明に係る有機化合物は熱安定性が高い。分解温度が低い置換基を有しないため、分解温度が高い。また、昇華開始温度が低く、分解しないため昇華精製を簡便に行うことができる。そのため、本発明に係る有機化合物は昇華精製により、純度を高めることが容易である。
本発明に係る有機化合物の例示化合物B-1は、下記構造式で表わされる。
比較化合物のb-1は下記構造式で表わされる。
以下に本発明に係る有機化合物の具体的な構造式を例示する。ただし本発明は、これら具体例に限定されるものではない。
次に、本発明に係わる有機化合物の合成方法について説明するが合成法は他の合成法を利用して合成しても良い。
(1)光電変換素子
本実施形態に係る光電変換素子は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に配置されている有機化合物層と、を有し、有機化合物層が、本発明の有機化合物を有する第一有機層を有する。図2は、本実施形態に係る光電変換素子の一例を示す断面模式図である。光電変換素子10には、アノード5とカソード4との間に有機化合物層が配置され、有機化合物層は本発明の有機化合物を有する第一有機層1を有している。第一有機層1は、光を電荷に変換する光電変換部を形成する層である。このことから、第一有機層1は光電変換層と呼ぶこともできる。光電変換素子10が複数の層を有する場合、複数の層は、アノード5からカソード4の方向に積層されていることが好ましい。有機化合物層は、第一有機層1とカソード4の間に配置されている第二有機層2、第一有機層1とアノード5との間に配置されている第三有機層3を有してよい。カソード4の上には保護層7、波長選択部8、マイクロレンズ9が配置されている。アノード5には、読み出し回路6が接続されている。光電変換素子10は不図示の基板の上に構成されてよい。光電変換素子10は、光電変換を行う場合に、アノード5とカソード4との間に電圧を加えてもよい。電圧は、有機化合物層の総膜厚にもよるが、1V以上から15V以下程度が好ましい。より好ましくは2V以上から10V以下程度が好ましい。
実施形態の光電変換素子は、基板を有していてもよい。基板として、例えば、ガラス基板、フレキシブル基板、半導体基板等が挙げられる。
アノード5は、第一有機層1で発生した電荷のうち電子を捕集する電極である。撮像素子の構成においては画素電極であってよい。アノード5は、カソード4よりも画素回路側に配置されてよい。アノード5はその機能から電子捕集電極と呼ぶことができる。アノード5の構成材料は、ITO、酸化亜鉛インジウム、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。
第一有機層1は、上述の通り、光電変換層と呼ぶこともできる。実施形態に係る光電変換素子の第一有機層1の構成材料について説明する。第一有機層1は本発明に係る有機化合物を有する。第一有機層1としては、光吸収率が高いこと、受光した光を効率よく電荷分離すること、すなわち光電変換効率が高いことが好ましい。また生成した電荷、すなわち電子および正孔を速やかに電極へ輸送できることが好ましい。また結晶化などの膜質の低下を抑制するために、ガラス転移温度が高い材料が好ましい。膜質向上の観点から、ガラス転移温度の高い材料との混合層としてもよい。第一有機層1は、複数種類の有機化合物を有してもよい。第一有機層1が複数種類の有機化合物を有する場合、複数種類の有機化合物が1つの層に混合されてもよいし、複数種類の有機化合物が、複数の層に含まれてもよい。
第二有機層2は、カソード4から第一有機層1へ電子が流れ込むことを抑制する層であり、電子親和力が小さい(真空準位から近い)ことが好ましい。電子親和力が小さいことはLUMOが小さいということもできる。第二有機層2は、その機能から電子ブロッキング層ということできる。第二有機層2は、複数層であってもよいし、バルクへテロ層(混合層)を用いてもよい。カソード4と第二有機層2との間に、他の機能層を有していてよい。
第三有機層3は、アノード5から第一有機層1へ正孔が流れ込むことを抑制する層であり、イオン化ポテンシャルが大きい(真空準位から遠い)ことが好ましい。イオン化ポテンシャルが大きいことは、HOMOが高いということもできる。第三有機層3は、その機能から正孔ブロッキング層ということできる。第三有機層3は複数層であってもよいし、バルクへテロ層(混合層)を用いてもよい。アノード5と第三有機層3との間に、他の機能層を有していてよい。
保護層7は、電極の上部に形成する層であり、絶縁層であることが好ましい。保護層7は単一の材料で形成されていても、複数の材料で構成されていてもよい。複数の材料で構成される場合は、複数の層を積層しても、複数の材料が混合された層であってもよい。保護層7の構成材料としては、例えば、樹脂等の有機材料、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化アルミニウム等の無機材料が挙げられる。スパッタリング、ALD法(原子層堆積法)などで形成することができる。窒化シリコンはSiNx、酸化シリコンはSiOxとも記載される。Xは、元素の比を表わす数値である。
波長選択部8は、平坦化層の上に設けられる。平坦化層を有さない場合は、保護層7の上に設けられる。波長選択部8は、光電変換素子の光入射側に配置されるということもできる。波長選択部8は、例えば、カラーフィルタ、シンチレータ―、プリズム等があげられる。カラーフィルタは、所定の波長の光を、他の波長の光よりも多く透過させるフィルタである。例えば、RGBの3種類を用いて、可視光の全域に対応することができる。RGBの3種類を用いる場合、カラーフィルタの配置は、ベイヤー配列、デルタ配列などを用いてよい。また、波長選択部は、所定の波長の光のみを分離するプリズムであってもよい。なお、波長選択部8が配される位置は図2に示された位置に限られない。波長選択部8は被写体あるいは光源から第一有機層1までの光路のいずれかに配置されればよい。
マイクロレンズ9は、外部からの光を第一有機層1へ集光するための光学部材である。図2においては、半球形状のレンズを例示しているが、形状はこれに限られない。マイクロレンズ9は、例えば、石英、シリコン、有機樹脂等で構成される。集光の障害にならない限りにおいて、形状、材質は限定されない。
光電変換素子は、電極の上に他の光電変換素子を有してもよい。他の光電変換素子を異なる波長の光を光電変換する光電変換素子とすることで、基板上の同じまたはほぼ同じ面内位置で、異なる波長の光を検出することができる。
(1)撮像素子
実施形態に係る光電変換素子は、撮像素子に用いることができる。撮像素子は、受光画素である複数の光電変換素子と、それぞれの光電変換素子に接続されている読み出し回路と、当該読み出し回路に接続されている信号処理回路(信号処理部)とを有する。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信号処理部に伝えられる。信号処理部は、CMOSセンサやCCDセンサがあげられる。それぞれの受光画素で取得した情報が、信号処理部に集められることで画像を得ることができる。
実施形態に係る撮像素子は、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系と、撮像光学系を通過した光を受光する撮像素子と、を有する。また、撮像装置は、撮像素子と、撮像素子を収容する筐体と、を有し、筐体は撮像光学系と接合可能な接合部を有してよい。撮像装置はより具体的には、デジタルカメラまたはデジタルスチルカメラである。
下記のスキームにより例示化合物A-1を合成した。
実施例1のe‐7を中間体として用いて、例示化合物B‐1を同様にして合成した。
実施例1及び2と同様にして、e‐5を表6,7に示すジアリールアミン原料、e‐8あるいはe‐10を表6,7に示す電子吸引基原料に変えることで、表6,7に示す例示化合物を合成した。また、質量分析法により、例示化合物のM+をそれぞれ確認した。
基板上に、正孔捕集電極(カソード)4、電子ブロッキング層(第二有機層)2、光電変換層(第一有機層)1、正孔ブロッキング層(第三有機層)3、電子捕集電極(アノード)5が順次形成された光電変換素子を作製した。まずSi基板上に、IZOを成膜し、所望のパターニング加工を施すことによりIZO電極(正孔捕集電極4)を形成した。このときIZO電極の膜厚を100nmとした。このようにIZO電極が形成された基板をIZO基板として、以下の工程で使用した。IZO基板上に、表8に示す有機化合物層(第二有機層2、第一有機層1、第三有機層3)及び電極層(電子捕集電極5)を連続成膜した。尚、このとき対向する電極(電子捕集電極5)の電極面積が3mm2となるようにした。
第一有機層1中の電子ドナー材料(例示化合物A-1)及び第二有機層2(g-1)を、表9に示す通りに変更した以外は、実施例14と同様の方法により光電変換素子を得た。
得られた素子について、5Vの電圧を印加し、その際の外部量子効率を測定した。外部量子効率は素子に対して、正孔捕集電極4と電子捕集電極5との間に、5Vの電圧を印加した状態で、各波長に対応した、強度50μW/cm2の単色光を素子へ照射した時に流れる光電流密度を測定することで算出した。ここで、光電流密度は、光照射時の電流密度から、遮光時の暗電流密度を差し引いて求めた。尚、光電流密度の測定の際に用いた単色光は、キセノンランプ(装置名:XB-50101AA-A、ウシオ電機製)から出射される白色光を、モノクロメータ(装置名:MC-10N、リツー応用光学製)で単色化したものである。素子への電圧印加及び電流計測は、ソースメータ(装置名:R6243、アドバンテスト製)を用いて行った。また、光の入射は、素子に対して垂直に、かつ上部電極(電子捕集電極5)側から行った。
A:外部量子効率の相対値が0.9以上である場合
B:外部量子効率の相対値が0.7以上0.9未満である場合
C:外部量子効率の相対値が0.5未満である場合
表9に示される結果より、本発明の化合物は蒸着時に分解することなく、素子作成が可能であり、作製した光電変換素子は、600nmの長波長側の可視光領域に感度があることが分かった。
Claims (14)
- 下記一般式[4]で表されることを特徴とする有機化合物。
Ar3は、フェニレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基、フェナントリレン基、フルオレニレン基、ピリジレン基、キノリレン基、イソキノリレン基、チエニレン基、フラニレン基、ベンゾチエニレン基、ベンゾフラニレン基からそれぞれ独立に選ばれ、mは0以上3以下の整数を表し、mが2または3の場合、前記Ar3はそれぞれ同じでも異なっても良い。
R1乃至R4は、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基からそれぞれ独立に選ばれる。前記R1乃至前記R4で表されるアリール基は、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフチル基、フェナンスレニル基、クリセニル基、ピレニル基、フルオレニル基、またはフルオランテニル基であり、前記R1乃至前記R4で表されるヘテロアリール基は、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリジダゾイル基、トリアジル基、ピロール基、フラニル基、チエニル基、イミダゾール基、ピラゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、イミダゾリン基、チアジン基、キノリニル基、イソキノリニル基、アザフェナンスレニル基、フェナントロニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、ベンゾフラニル基、またはジベンゾフラニル基である。前記R1乃至前記R4で表されるアルキル基はハロゲン原子を置換基として有してもよい。前記R1乃至前記R4で表されるアリール基及びヘテロアリール基はハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基を置換基としてさらに有してもよい。
X1及びX2は、酸素及び硫黄からそれぞれ独立に選ばれる。
一般式[4]において、*は結合する位置を示しており、下記一般式[2-1]乃至[2-9]のいずれかが、*の位置で結合している。
- 前記mが0であることを特徴とする請求項1に記載の有機化合物。
- 下記一般式[3]で表されることを特徴とする有機化合物。
R1乃至R4は、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロアリール基からそれぞれ独立に選ばれる。前記R1乃至前記R4で表されるアリール基は、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフチル基、フェナンスレニル基、クリセニル基、ピレニル基、フルオレニル基、またはフルオランテニル基であり、前記R1乃至前記R4で表されるヘテロアリール基は、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリジダゾイル基、トリアジル基、ピロール基、フラニル基、チエニル基、イミダゾール基、ピラゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、イミダゾリン基、チアジン基、キノリニル基、イソキノリニル基、アザフェナンスレニル基、フェナントロニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、ベンゾフラニル基、またはジベンゾフラニル基である。前記R1乃至前記R4で表されるアルキル基はハロゲン原子を置換基として有してもよい。前記R1乃至前記R4で表されるアリール基及びヘテロアリール基はハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基を置換基としてさらに有してもよい。
R7は、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、アミノ基、アミド基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフチル基、フェナンスレニル基、クリセニル基、ピレニル基、フルオレニル基、フルオランテニル基、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリジダゾイル基、トリアジル基、ピロール基、フラニル基、チエニル基、イミダゾール基、ピラゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、イミダゾリン基、チアジン基、キノリニル基、イソキノリニル基、アザフェナンスレニル基、フェナントロニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、ベンゾフラニル基、ジベンゾフラニル基からそれぞれ独立に選ばれる。前記R7は、ハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフチル基、フェナンスレニル基、クリセニル基、ピレニル基、フルオレニル基、フルオランテニル基、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリジダゾイル基、トリアジル基、ピロール基、フラニル基、チエニル基、イミダゾール基、ピラゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、イミダゾリン基、チアジン基、キノリニル基、イソキノリニル基、アザフェナンスレニル基、フェナントロニル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、ベンゾフラニル基、またはジベンゾフラニル基を置換基として有してもよい。
X1及びX2は、酸素及び硫黄からそれぞれ独立に選ばれる。 - 前記X1が酸素であり前記X2が硫黄であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の有機化合物。
- アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されている有機化合物層と、を有する光電変換素子であって、前記有機化合物層が、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の有機化合物を有する第一有機層を有することを特徴とする光電変換素子。
- 前記第一有機層は光電変換層であり、有機n型化合物を含むことを特徴とする請求項7に記載の光電変換素子。
- 請求項7乃至9のいずれか一項に記載の光電変換素子と、前記光電変換素子に接続されている読み出し回路と、前記読み出し回路に接続されている信号処理回路と、を有することを特徴とする撮像素子。
- 撮像光学系と、前記撮像光学系を通過した光を受光する撮像素子とを有し、前記撮像素子が請求項10に記載の撮像素子であることを特徴とする撮像装置。
- 請求項10に記載の撮像素子と、前記撮像素子を収容する筐体とを有する撮像装置であって、前記筐体は撮像光学系と接合可能な接合部を有することを特徴とする撮像装置。
- 前記撮像装置は、外部からの信号を受信する受信部をさらに有し、前記信号は、前記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ことを特徴とする請求項11または12に記載の撮像装置。
- 前記撮像装置は、取得した画像を外部に送信する送信部をさらに有することを特徴とする請求項11乃至13のいずれか一項に記載の撮像装置。
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