JP7013163B2 - 有機化合物及び光電変換素子 - Google Patents

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Description

本発明は、有機化合物、その有機化合物を用いた光電変換素子、並びにその光電変換素子を用いた撮像素子及び撮像装置に関する。
光電変換素子は、外部からの光を受け、そのエネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。その特性を応用し、複数の光電変換素子を二次元に配列したセンサを有する固体撮像素子が広く普及している。近年、光電変換層に有機化合物を有する光電変換素子の開発が進んでいるが、実用化に向けては変換効率や耐久性などに改善の余地がある。
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。
Figure 0007013163000001
特開2010‐205815号公報 韓国特許第2015‐136577号公報
しかし、特許文献1に記載の有機化合物は、可視光領域のうち長波長領域の光の吸収率が低い化合物であった。一方、特許文献2に記載の有機化合物は、太陽電池の色素として用いられるので、カルボキシル基を有する構造が必要であった。この化合物はカルボキシル基を有するため、熱安定性の低い化合物であった。
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。
そこで、本発明は、下記一般式[]で表されることを特徴とする有機化合物を提供する。
Figure 0007013163000002
一般式[]において、Ar1およびAr2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、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Ar1および前記Ar2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よい。前記置換基はハロゲン原子、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よい。前記Ar1と前記Ar2とは互いに結合してカルバゾリル基またはフェノキサジニル基を形成してよい。
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。
1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。
1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。
Figure 0007013163000003
一般式[2-1]乃至[2-9]において、R 15 乃至R 44 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、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。
また、本発明は、下記一般式[3]で表されることを特徴とする有機化合物を提供する。
Figure 0007013163000004
一般式[3]において、Ar1およびAr2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、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Ar1および前記Ar2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よい。前記置換基はハロゲン原子、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よい。前記Ar1と前記Ar2とは互いに結合してカルバゾリル基またはフェノキサジニル基を形成してよい。
1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。
7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。
1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。
Figure 0007013163000005
Figure 0007013163000006
Figure 0007013163000007
Figure 0007013163000008
本発明によれば、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できる。
本発明に係る例示化合物B-1のクロロホルム希薄溶液中での吸収スペクトルである。 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。 実施形態に係る光電変換素子を含む画素の回路図である。 実施形態に係る撮像素子を表す概略図である。
[本発明に係る有機化合物]
本発明に係る有機化合物は、下記一般式[1]で表わされる。
Figure 0007013163000009
(1)Ar1およびAr2
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。
アリール基としては、例えばフェニル基、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などがあげられ、特にフェニル基、ビフェニル基、ナフチル基が好ましい。
ヘテロアリール基としては、例えばピリジル基、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などがあげられ、ピリジル基、ピラジル基、ピリジミル基が好ましい。
Ar1およびAr2は、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、ヘテロアリール基を置換基として有してもよい。これら置換基はハロゲン原子、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。アリール基、ヘテロアリール基の具体例は上述の通りである。
ハロゲン原子は、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、フッ素原子が挙げられ、フッ素原子が好ましい。
アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、n-プロピル基、iso-プロピル基、n-ブチル基、ter-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、メチル基、エチル基、n-プロピル基、iso-プロピル基、n-ブチル基、ter-ブチル基、sec-ブチル基等の炭素原子数1以上4以下のアルキル基が好ましい。
アルコキシ基としては、例えばメトキシ基、エトキシ基、n-プロオキシ基、iso-プロオキシ基、n-ブトキシ基、ter-ブチトキシ基、sec-ブチトキシ基などが挙げられ、メトキシ基、エトキシ基、n-プロオキシ基、iso-プロオキシ基、n-ブトキシ基、ter-ブチトキシ基、sec-ブチトキシ基、オクチロキシ基、1-アダマンチロキシ、2-アダマンチロキシ等の炭素原子数1以上4以下のアルコキシ基が好ましい。
Ar1とAr2は互いに結合して環を形成してもよい。この際、Ar1とAr2は、窒素、酸素、硫黄などのヘテロ原子を介して結合してもよい。形成される環は、特に限定されないが、5員環、6員環、7員環が好ましい。形成される環は、芳香環であっても、脂環であっても、一部に二重結合を有する環であってもよい。また、形成された環に、窒素、酸素、硫黄などのヘテロ原子が含まれてもよい。
(2)Ar3、m
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。
アリーレン基は、例えばフェニレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基、フェナントリレン基、フルオレニレン基等が挙げられる。
ヘテロアリーレン基は、例えばピリジレン基、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等が挙げられる。
(3)R1乃至R4
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。
(4)X1及びX2
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。
(5)Q
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。
Figure 0007013163000010
一般式[1-1]及び[1-2]において、R5乃至R10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、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、アルコキシ基、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。
アミノ基は、例えば、水素原子が置換したアミノ基でもよく、アルキル基、炭素原子数6以上18以下のアリール基及び炭素原子数3以上17以下のヘテロアリール基等の置換基を有した置換アミノ基等が挙げられる。
アミド基は、例えば、水素原子が置換したアミド基でもよく、アルキル基、炭素原子数6以上18以下のアリール基及び炭素原子数3以上17以下のヘテロアリール基等の置換基を有した置換アミド基等が挙げられる。
アルケニル基は、例えば、水素原子が置換したアルケニル基でもよく、ハロゲン基、アルキル基、アルコシキ基、炭素原子数6以上18以下のアリール基及び炭素原子数3以上17以下のヘテロアリール基等の置換基を有した置換アルケニル基等が挙げられる。
アルキニル基は、例えば、水素原子が置換したアルキニル基でもよく、ハロゲン基、アルキル基、アルコシキ基、炭素原子数6以上18以下のアリール基及び炭素原子数3以上17以下のヘテロアリール基等の置換基を有した置換アルキニル基等が挙げられる。
5乃至R10は、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、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。
また、R7とR7に隣接するR5、R8とR9は互いに結合して環を形成してもよい。この際、R7とR7に隣接するR5、R8とR9は、窒素、酸素、硫黄などのヘテロ原子を介して結合してもよい。形成される環は、特に限定されないが、5員環、6員環、7員環が好ましい。形成される環は、芳香環であっても、脂環であっても、一部に二重結合を有する環であってもよい。また、形成された環に、窒素、酸素、硫黄などのヘテロ原子が含まれてもよい。
一般式[1-1]において、nは0以上2以下の整数である。
一般式[1-2]において、Z1及びZ2は下記式[1-3]乃至[1-5]で示される基からそれぞれ独立に選ばれ、少なくとも一方が式[1-3]または式[1-5]で示される基であることが好ましい。尚、下記式[1-3]乃至[1-5]において*は結合する位置を示している。
Figure 0007013163000011
(6)好ましい化合物
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。
Figure 0007013163000012
一般式[2-1]乃至[2-9]において、R15乃至R44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、アリール基またはヘテロアリール基をからそれぞれ独立に選ばれる。
また、Qが一般式[1-2]であり、Z1およびZ2がカルボニル基である場合、熱安定性、特に融点が高いので、好ましく、下記一般式[2]で表わされる有機化合物がより好ましい。
Figure 0007013163000013
一般式[2]において、R12およびR13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、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。R12およびR13は、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、ヘテロアリール基を置換基として有してよい。R12およびR13の具体例は上記R5乃至R10について例示した通りである。
12とR13とは、一般式[1-2]におけるR8とR9と同様に互いに結合して環を形成してもよい。この際、R12とR13は、窒素、酸素、硫黄などのヘテロ原子を介して結合してもよい。形成される環は、特に限定されないが、5員環、6員環、7員環が好ましい。形成される環は、芳香環であっても、脂環であっても、一部に二重結合を有する環であってもよい。また、形成された環に、窒素、酸素、硫黄などのヘテロ原子が含まれてもよい。R12とR13とが互いに結合して形成される環としては、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環、ピリダジン環、キノリン環、イソキノリン環、キノキサリン環、チオフェン環、ベンゾチオフェン環、フラン環、ベンゾフラン環等が挙げられる。
Qが一般式[1-1]であり、さらに、nが0である場合、分子量が小さく昇華温度が低くなるため好ましく、下記一般式[3]で表される有機化合物がより好ましい。
Figure 0007013163000014
[本発明の化合物の特徴]
(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。
光電変換膜として可視光領域の光を電荷信号としてとらえる場合、380乃至750nmの可視光領域全域において光を吸収できることが好ましい。特に、赤色領域(600乃至750nm)の吸収感度が高いことが好ましい。具体的には、薄膜状態における長波長側の吸収端(吸収スペクトルの立ち上がりの位置)が赤色領域(600nm以上)にあることが好ましい。また、クロロホルム希薄溶液(濃度が5×10-5mol/Lより薄い溶液)中の長波長側の吸収端が580nm以上にあることが好ましく、600nm以上にあることがより好ましい。その場合、クロロホルム希薄溶液の最大吸収波長は、515乃至615nmにあることが好ましい。また、最大吸収波長においてモル吸光係数が高いことが好ましい。
本発明の有機化合物はクロロホルム希薄溶液の最大吸収波長は、515乃至615nmにあり、最大吸収波長においてモル吸光係数が高い特徴をもつ。また、フラーレン類縁体等のn型半導体を電子アクセプタとして用いることで、本発明の有機化合物が有する吸収領域に加えて特に380nm乃至500nmの短波長側の吸収感度をさらに高めることができる。これにより、さらにパンクロマティック性能が良好になる。
以上から、本発明に係る有機化合物を光電変換素子に用いる場合に、本発明に係る有機化合物のみで可視光全域の光吸収を担うことができる。光吸収を担う化合物が単一の場合、分子の配向や凝集状態を制御しやすいので、トラップ準位の発生を抑制できる。加えて、有機化合物の光吸収の感度が高い場合は、膜厚を小さくすることができ、素子の駆動電圧が小さい。
これに対して、比較化合物のように赤色領域の吸収感度が弱い化合物を用いる場合には、数種類の化合物を混合させることや、光を吸収させるために膜厚を大きくする必要がある。膜厚を大きくする場合、高電圧化するとともに、トラップ準位が発生する可能性を高める。トラップ準位が発生した場合、変換効率の低下による高電圧化が生じる。したがって、膜厚を大きくした場合、素子の駆動電圧が高いので好ましくない。
(2)光電変換特性
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。
(3)熱安定性
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。
以上の特徴から、本発明に係る有機化合物は真空蒸着プロセスを用いて素子を製造しても分解することなく安定に素子を形成することができる。
[本発明に係る例示化合物B-1と比較化合物a-1との比較]
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。
Figure 0007013163000015
比較化合物のa-1は下記構造式で表わされる。
Figure 0007013163000016
本発明の例示化合物B-1と、比較化合物a-1を可視光の吸収領域の範囲で比較した。
本発明の例示化合物B-1は可視光全域に吸収を有する。図1に、本発明に係る例示化合物B-1のクロロホルム希薄溶液(3×10-5mol/L)中での吸収スペクトルを示した。本発明に係る例示化合物B-1は、吸収スペクトルの端部の波長が650nm、最大吸収ピーク波長が558nmである。すなわち、赤色領域に光吸収を有するので、光電変換素子に用いる化合物として好ましい。
表1に本発明の化合物と比較化合物a-1の吸収波長の計算値を示す。
Figure 0007013163000017
表1に示すように、本発明化合物1~4は吸収波長計算値が531nm~514nmである。また、本発明化合物1は例示化合物B-1であるが、上述の通り、例示化合物B-1は吸収スペクトルの端部が650nm、最大吸収ピーク波長が558nmである。これらのことから、本発明化合物1~4は吸収波長ピークが558nm~541nm周辺であり、吸収スペクトルの端部が650nm~633nm周辺であることが言える。
本発明の化合物が比較化合物a-1より長波長側に吸収ピークを持ち、赤色領域(600乃至750nm)の吸収があり、その感度が高いと言える。
尚、分子軌道法計算の計算手法は、現在広く用いられている密度汎関数法(Density Functional Theory,DFT)を用いた。汎関数はB3LYP、既定関数は6-31G*を用いた。尚、分子軌道法計算は、現在広く用いられているGaussian09(Gaussian09,RevisionC.01,M.J.Frisch,G.W.Trucks,H.B.Schlegel,G.E.Scuseria,M.A.Robb,J.R.Cheeseman,G.Scalmani,V.Barone,B.Mennucci,G.A.Petersson,H.Nakatsuji,M.Caricato,X.Li,H.P.Hratchian,A.F.Izmaylov,J.Bloino,G.Zheng,J.L.Sonnenberg,M.Hada,M.Ehara,K.Toyota,R.Fukuda,J.Hasegawa,M.Ishida,T.Nakajima,Y.Honda,O.Kitao,H.Nakai,T.Vreven,J.A.Montgomery,Jr.,J.E.Peralta,F.Ogliaro,M.Bearpark,J.J.Heyd,E.Brothers,K.N.Kudin,V.N.Staroverov,T.Keith,R.Kobayashi,J.Normand,K.Raghavachari,A.Rendell,J.C.Burant,S.S.Iyengar,J.Tomasi,M.Cossi,N.Rega,J.M.Millam,M.Klene,J.E.Knox,J.B.Cross,V.Bakken,C.Adamo,J.Jaramillo,R.Gomperts,R.E.Stratmann,O.Yazyev,A.J.Austin,R.Cammi,C.Pomelli,J.W.Ochterski,R.L.Martin,K.Morokuma,V.G.Zakrzewski,G.A.Voth,P.Salvador,J.J.Dannenberg,S.Dapprich,A.D.Daniels,O.Farkas,J.B.Foresman,J.V.Ortiz,J.Cioslowski,and D.J.Fox,Gaussian,Inc.,Wallingford CT,2010.)により実施した。
この差異は、電子吸引基の有無に起因する。本発明の例示化合物B‐1は、チオフェン側の置換基に電子吸引性の強い基を有するので吸収スペクトルが長波長化する。つまり、本発明に係る例示化合物B-1はチエノベンゾフラン主骨格に電子供与性のアミノ基と電子吸引性のカルボニル基を有する基が結合することで、チエノベンゾフラン主骨格の吸収波長を大きく長波長化することができる。
一方、比較化合物a-1は電子吸引基が無いため、吸収が短波長で赤色領域(600乃至750nm)まで吸収がない。有機発光素子用の輸送材料用に設計されているため、吸収波長を可視光領域を含まないように短波長になるように設計されている。
[本発明に係る例示化合物B-1と比較化合物b-1との比較]
比較化合物のb-1は下記構造式で表わされる。
Figure 0007013163000018
本発明に係る有機化合物は、熱安定性が高いので、昇華精製を簡便に行うことができる。本発明に係る例示化合物B-1の分解温度は300℃以上と高く、安定に昇華精製を行うことができた。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。
これに対して、比較化合物b-1は、カルボキシル基を有するため、分解温度が低く、熱安定性が低い。そのため、昇華精製、真空蒸着に不向きな化合物である。比較化合物b-1は、色素増感太陽電池に用いられる化合物であり、酸化チタン等の金属酸化物に光電変換化合物として化学的に修飾する必要があるため、カルボキシル基を有している。色素増感太陽電池の光電変換化合物には、カルボキシル基といったプロトン供与体のブレンステッド酸を有した構造が用いられる。
熱安定性が高い有機化合物は、真空蒸着プロセスを用いて製造しても安定に素子を形成することができる。これに対して、熱安定性が低い化合物は、熱分解を生じるため、真空蒸着プロセスを用いることができない。カルボキシル基の様な構造を有していると分子間水素結合により2量化し分子量が増大するとともに、反応性の高いカルボキシル基同士が結合することにより熱分解が生じる。
[本発明に係る有機化合物の例示]
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。
Figure 0007013163000019
Figure 0007013163000020
Figure 0007013163000021
Figure 0007013163000022
Figure 0007013163000023
例示した化合物のうち、A及びB群に示す化合物は、一般式[1]におけるX1が酸素であり、X2が硫黄である。フラン環が5員環を狭める構造、チオフェン環が5員環を広げる構造のため、2つの環がベンゼン環と縮合したときに歪の少ない構造をとるので、構造安定性が高い。
C及びD群に示す化合物は、一般式[1]におけるX1が硫黄であり、X2が硫黄である。フラン環に比べ、酸化しにくい。
E及びF群に示す化合物は、一般式[1]におけるX1が硫黄であり、X2が酸素である。フラン環が5員環を狭める構造、チオフェン環が5員環を広げる構造のため、2つの環がベンゼン環と縮合したときに歪の少ない構造をとるので、構造安定性が高い。
G及びH群に示す化合物は、一般式[1]におけるX1が酸素であり、X2が酸素である。硫黄に比べ電気陰性度が高い酸素のため、化合物のダイポールモーメントが高い。
A、C、E及びG群に示す化合物は、一般式[1]におけるQが式[1-1]で示される基であり、分子量が小さい置換基のため、低温で昇華させることができる。
B、D、F及びH群に示す化合物は、一般式[1]におけるQが式[1-2]で示される基である。そして、特に一般式[2-1]乃至[2-9]、一般式[2]のように、R8とR9が互いに結合して環を形成する場合、化合物のガラス転移温度が高くなり、安定なアモルファス膜を形成する。
[本発明に係る有機化合物の合成方法]
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。
本発明に係る有機化合物の基本骨格であるチエノベンゾフラン骨格は、例えば、下記に示される合成スキーム1に従って合成することができる。
Figure 0007013163000024
CuCl触媒によるカップリング反応によりc-3が誘導される。それに続いて酢酸銀とパラジウム触媒による環化反応により、チエノベンゾフラン骨格c-4が形成される。
チエノベンゾフラン骨格からアミノ基、電子吸引基の導入は以下の合成スキーム2により合成できる。
Figure 0007013163000025
基本骨格中間体c-4とジアリールアミノ原料c-5をパラジウム触媒によるアミノ化反応によるジアリールアミノ中間体c-6が合成できる。電子吸引基は例えばジシアノ基を導入する場合、電子吸引基原料c-8をトリエチルアミンやピペリジン等の塩基と反応させることで本発明の化合物c-9が合成できる。また、例えばベンゾインダン基を導入する場合、電子吸引基原料c-10をトリエチルアミンやピペリジン等の塩基と反応させることで本発明の化合物c-11が合成できる。
本発明に係る有機化合物の基本骨格であるチエノベンゾチオフェン骨格は、例えば、下記に示される合成スキーム3に従って合成することができる。
Figure 0007013163000026
ベンゾチオフェン中間体d-4を誘導し、Na2Sを用いた反応によりチエノベンゾチオフェン骨格が形成される。アミノ基、電子吸引基は合成スキーム2と同様にして置換することができ、本発明の化合物が合成できる。
中間体c-1である2-ブロモチオフェンを2-ブロモフランに変えることで本発明に係る有機化合物の基本骨格であるフラノベンゾフラン骨格が合成できる。また、アミノ基、電子吸引基は合成スキーム2と同様にして置換することができ、本発明の化合物が合成できる。
上記合成スキームに従い、基本骨格中間体、ジアリールアミノ原料及び電子吸引基原料をそれぞれ変えることで本発明の化合物を合成することができる。その具体例を表2~表5に示す。
Figure 0007013163000027
Figure 0007013163000028
Figure 0007013163000029
Figure 0007013163000030
[実施形態に係る光電変換素子]
(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。
(2)基板
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。
また、実施形態に係る光電変換素子は、半導体基板を有していてよい。半導体基板は、不純物の注入により電荷蓄積部、フローティングディフュージョン(FD)が形成できるものであれば、構成元素は限定されない。例えば、例えば、Si、GaAs、GaP等があげられる。特にSiが好ましい。半導体基板はN型のエピタキシャル層であってよい。その場合、半導体基板にP型ウェル、N型ウェル、P型半導体領域、N型半導体領域が配される。
電荷蓄積部は、イオン注入によって半導体基板に形成されたN型半導体領域あるいはP型半導体領域であり、光電変換部で発生した電荷を蓄積する領域である。電子を蓄積する場合には、半導体基板表面にN型半導体領域が形成してもよいし、あるいは基板表面からPN構造の蓄積用のダイオードを形成してもよい。いずれの場合もN型半導体領域に電子を蓄積することができる。一方、正孔を蓄積する場合には、半導体基板にP型半導体領域が形成してもよいし、あるいは基板表面からNP構造の蓄積用のダイオードを形成してもよい。いずれの場合もP型半導体領域に電子を蓄積することができる。
蓄積された電荷は、電荷蓄積部からFDへと転送される。この電荷の転送は、ゲート電極によって制御してよい。第一有機層1で生成された電荷は、電荷蓄積部に蓄積され、電荷蓄積部に蓄積された電荷はFDに転送される。その後、後述の増幅トランジスタ(図3)により電流に変換される。また、電荷蓄積部がPN接合を形成している場合は、上記光電変換部からの漏れ光により光電変換してもよい。電荷蓄積部を有さずに、電荷の出力部を有してよい。出力部を有する場合は、電極からFDを介さずに増幅トランジスタ等に伝わる。
(3)アノード(電子捕集電極)5、カソード(正孔捕集電極)4
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。
カソード4は、第一有機層1で発生した電荷のうちの正孔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もよい。カソード4の構成材料は、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。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、マグネシウム、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、マグネシウムと銀との合金、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。
画素電極はアノード5、カソード4のいずれであってもよい。光取出し側の電極は透明性が高いことが好ましい。具体的には、80%以上である。また、電極は光入射側の電極を上部電極と呼ぶこともできる。その場合、他方は下部電極と呼ばれる。
上述した二種類の電極(アノード、カソード)の形成方法は、それぞれ使用される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。ITOを用いて電極を形成する場合、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-ゲル法等)、酸化インジウムスズの分散物の塗布等の方法で電極を形成することができる。また係る場合、形成された電極(ITO電極)の表面について、UV-オゾン処理、プラズマ処理等を施してもよい。TiNを用いて電極を形成する場合、反応性スパッタリング法をはじめとする各種の成膜方法を用いることができる。また係る場合、形成された電極(TiN電極)にアニール処理、UV-オゾン処理、プラズマ処理等を施してもよい。
(4)第一有機層(光電変換層)1
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。
第一有機層1は、p型有機半導体等の有機p型化合物又はn型有機半導体等の有機n型化合物を含有した層であることが好ましく、有機p型化合物と、有機n型化合物とを混合したバルクへテロ層(混合層)を少なくとも一部に含むことがより好ましい。第一有機層1がバルクへテロ層を有することにより、光電変換効率(感度)を向上させることができる。最適な混合比率でバルクへテロ層を有することにより、第一有機層1の電子移動度、正孔移動度を高くすることができ、光電変換素子の光応答速度を高速にすることができる。
第一有機層1は、フラーレンまたはフラーレン類縁体をn型有機半導体として含むことが好ましい。複数のフラーレン分子またはフラーレン類縁体分子により、電子の経路が形成されるため、電子輸送性が向上し、光電変換素子の応答性が向上する。フラーレンまたはフラーレン類縁体の含有量は、光電変換層の全量を100%とした場合、20質量%以上80質量%以下であることが好ましい。フラーレン類縁体は閉殻空洞状の多数の炭素原子のみで構成される、クラスターの総称であり、C60や高次のフラーレンであるC70、C74、C76、C78等がある。これらの材料は1種類でも複数で用いてもよい。電荷分離と電子を運搬する材料として用いられる材料はフラーレン類縁体だけでなく、その他複数の材料を同時に用いてもよい。フラーレン以外の材料としては、n型有機半導体である知られているNTCDIなどのナフタレン化合物、PTCDIなどのペリレン化合物、SubPcなどのフタロシアニン化合物、DCV3Tなどのチオフェン化合物が挙げられる。
フラーレン類縁体は、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があげられる。
Figure 0007013163000031
第一有機層1は、本発明に係る有機化合物以外にもp型有機半導体等を有してよい。そのようなp型有機半導体としては、例えば以下の有機化合物等を挙げることができる。尚、以下に示す化合物は、その機能を損なわない範囲で、アルキル基等の置換基を有していてもよい。
Figure 0007013163000032
(5)第二有機層(電子ブロッキング層)2
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。
(6)第三有機層(正孔ブロッキング層)3
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。
(7)保護層7
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。
保護層7の上に平坦化層を設けてもよい。保護層7の表面状態により、波長選択部8に影響を与えないために設けられるものである。平坦化層は、公知の製造方法、塗布法、真空蒸着法などで形成することができる。必要に応じてCMP等を行って製造してもよい。平坦化層は例えば、樹脂等の有機材料、SiNxやSiOx、Al23等の無機材料が挙げられ、有機化合物、またはそれらの混合物で構成されてよい。形成方法は、保護層7と同じ方法をあげることができる。
(8)波長選択部8
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。
(9)マイクロレンズ9
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。
(10)その他の構成
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。
また、第一有機層1とは別の波長の光を光電変換する別種の有機化合物層をさらに有し、第一有機層1と、別種の有機化合物層とが積層されていてもよい。この構成とすることで、光電変換素子を積層する構成と同様に基板上の同じ位置、ほぼ同じ位置で、異なる波長の光を検出することができる。
[実施形態に係る撮像素子、それを有する撮像装置]
(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。
撮像素子は、複数の光電変換素子を有し、複数の光電変換素子は、それぞれが別種のカラーフィルタを有してよい。複数種類のカラーフィルタは、それぞれ異なる波長の光を透過させるカラーフィルタである。具体的には、RGBのカラーフィルタをそれぞれ有してよい。複数の光電変換素子は、光電変換層を共通層として有してよい。共通層とは、一の光電変換素子が有する光電変換層と、それに隣接する光電変換素子の光電変換層がつながっていることを表す。
図3は、実施形態に係る光電変換素子を含む画素の回路図である。光電変換素子10は、nodeA20で共通配線19に接続される。共通配線19はグランドに接続されてよい。画素18は、光電変換素子10と、光電変換部で生じた信号を読み出すための読み出し回路を含んでよい。読み出し回路は、例えば光電変換素子10と電気的に接続した転送トランジスタ11、光電変換素子10と電気的に接続されたゲート電極を有する増幅トランジスタ13、情報が読み出される画素を選択する選択トランジスタ14、光電変換素子にリセット電圧を供給するリセットトランジスタ12を含んでよい。
転送トランジスタ11は、ゲート電圧により転送を制御されてよい。リセットトランジスタ12は、そのゲートに印加される電圧によりリセット電位の供給を制御されてよい。選択トランジスタ14はそのゲート電圧により選択または非選択の状態となる。転送トランジスタ11、リセットトランジスタ12、増幅トランジスタ13は、nodeB21で接続されている。構成によっては転送トランジスタ11を有さなくてもよい。リセットトランジスタ12はnodeB21の電位をリセットする電圧を供給するトランジスタである。リセットトランジスタ12のゲートに信号を印加することで電圧の供給を制御できる。構成によってはリセットトランジスタ12を有さなくてもよい。増幅トランジスタ13は、nodeB21の電位に応じた電流を流すトランジスタである。増幅トランジスタ13は信号を出力する画素18を選択する選択トランジスタ14に接続されている。選択トランジスタ14は、電流源16、列出力部15に接続されており、列出力部15は信号処理部に接続されている。選択トランジスタ14は、垂直出力信号線17に接続されている。垂直出力信号線17は、電流源16、列出力部15に接続されている。
図4は、実施形態に係る撮像素子を表す概略図である。撮像素子28は、複数の画素が2次元に配置されている撮像領域25と、周辺領域26とを有する。撮像領域25以外の領域は周辺領域26である。周辺領域26には、垂直走査回路21、読み出し回路22、水平走査回路23、出力アンプ24を有し、出力アンプ24は信号処理部27に接続されている。信号処理部27は、読み出し回路22に読みだされた情報により信号処理を行う信号処理部であり、CCD回路、CMOS回路等があげられる。
読み出し回路22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21によって選択された行の画素から垂直信号線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、相関二重サンプリング(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。CDS回路は、CDS信号処理を行う回路であり、kTCノイズ低減を行う。水平走査回路23は、読み出し回路22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24は、水平走査回路23によって選択された列の信号を増幅して出力する。
以上の構成は、撮像素子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22と水平走査回路23と出力アンプ24とは、2系統の出力経路を構成するため、撮像領域25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24から出力された信号は信号処理部27で画像信号として合成される。
(2)撮像装置
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。
また、撮像装置は、撮像した画像を外部から閲覧可能とする通信部を有してよい。通信部は、外部からの信号を受信する受信部、外部へ情報を送信する送信部を有してよい。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、送信部は、撮像した画像の他に、画像に関する警告、データ容量の残量、電源の残量等の情報を送信してよい。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。
以下、本発明について実施例を用いて詳細に説明する。なお、本発明はこれらに限定されるものではない。
[実施例1](例示化合物A-1の合成)
下記のスキームにより例示化合物A-1を合成した。
Figure 0007013163000033
200mlのフラスコにe‐1、4.89g(30.0mmol)、e‐2、3.85g(30.0mmol)を60mlのピリジンを入れた。さらに、塩化銅(I)、0.99g(20.0mmol)、60%水素化ナトリウム、1.20g(20.0mmol)を加え、温度120℃に加熱して6時間攪拌を行った。冷却後、トルエンで抽出、濃縮し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(移動相;ヘプタン:トルエン混合溶媒)で精製することで、白色固体e‐3を1.20g(収率19%)得た。
50mlのフラスコにe‐3、1.20g(5.70mmol)、プロピオン酸、10mlを入れた。さらに、パラジウムビストリフルオロアセテート、0.190g、酢酸銀、1.90g(11.4mmol)を加え、温度110℃に加熱して5時間攪拌を行った。冷却後、トルエンで抽出、濃縮し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(移動相;ヘプタン:トルエン混合溶媒)で精製することで、白色固体e‐4を0.735g(収率62%)得た。
Figure 0007013163000034
183mg(0.2mmol)の酢酸パラジウム(2)と、286mg(0.6mmol)のXphosを5mlのトルエンの中に入れ、室温で15分撹拌した。この溶液を、別に用意した、e‐4、0.730g(3.51mmol)、e‐5、0.652mg(3.86mmol)、15mlのトルエンの溶液に加えた。さらに、0.672g(7.2mmol)のナトリウム-tert-ブトキシドを加え、120℃で4時間撹拌した。冷却後、セライトを用いてろ過、濃縮し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(移動相;ヘプタン:トルエン混合溶媒)で精製することで、白黄色固体e‐6、を0.738g(収率62%)得た。
e‐6、0.492g(1.43mmol)を15mlのテトラヒドロフランの中に入れ-78℃に冷却した。さらに、1.06ml(1.73mmol)のn-ブチルリチウム(1.6M n-ヘキサン溶液)を-78℃で滴下し、滴下後、反応溶液を-40℃まで上げ、2時間撹拌を行った。さらに、2.86ml(2.86mmol)のDMFを-40℃で滴下し、ゆっくり室温まで昇温させながら3時間撹拌した。反応後、塩化アンモニウム水溶液を加え、酢酸エチルで抽出した。濃縮後、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(移動相;ヘプタン:クロロホルム混合層)で精製することで、黄色固体e‐7を0.389g(収率74%)得た。
Figure 0007013163000035
e‐7、0.350mg(0.972mmol)を10mlのクロロホルムの中に入れた。さらに、e‐8、0.083mg(1.26mmol)、トリエチルアミンを3滴加え、そのまま2時間撹拌を行った。反応後、クロロホルムで抽出し、濃縮後、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(移動相;クロロホルム)で精製することで、濃赤色個体A-1を0.350g(収率85%)得た。質量分析法により、例示化合物A1のM+である417を確認した。
[実施例2](例示化合物B‐1の合成)
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。
Figure 0007013163000036
中間体e‐7、0.359mg(0.972mmol)を10mlのクロロホルムの中に入れた。さらに、e‐10、0.184mg(1.26mmol)、ピペリジンを3滴加え、そのまま4時間撹拌を行った。反応後、クロロホルムで抽出し、濃縮後、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(移動相;クロロホルム)で精製することで、濃赤色個体B-1を0.351g(収率73%)得た。質量分析法により、例示化合物B-1のM+である497を確認した。
例示化合物B‐1についてクロロホルム希薄溶液(3×10-5mol/L)中での吸収スペクトルを測定したところ、図1に示すように、可視光領域における最大吸収波長が558nmであった。さらに、クロロホルム希薄溶液(3×10-5mol/L)中でモル吸光係数の測定を行ったところ、558nmの波長で63400M-1cm-1であった。装置は日本分光製紫外可視分光光度計V-560を用いた。
[実施例3乃至13]
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。
Figure 0007013163000037
Figure 0007013163000038
[実施例14]
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。
Figure 0007013163000039
尚、本実施例で用いた材料g-1、g-3、後述する実施例21,22で用いる材料g-2は以下の通りである。
Figure 0007013163000040
[実施例15乃至22、比較例1、2]
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。
Figure 0007013163000041
尚、比較例1及び2で用いた化合物a-1、b-1は以下の通りである。
Figure 0007013163000042
[光電変換素子の評価]
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。
波長600nmにおける外部量子効率を、実施例14の光電変換素子の外部量子効率を1とした場合の相対値により、下記基準で評価した。その結果を表9に示す。
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。
1:第一有機層、2:第二有機層、3:第三有機層、4:カソード(正孔捕集電極)、5:アノード(電子捕集電極)、6:読み出し回路、7:保護層、8:波長選択部、9:マイクロレンズ

Claims (14)

  1. 下記一般式[4]で表されることを特徴とする有機化合物。
    Figure 0007013163000043
    一般式[4]において、Ar1およびAr2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、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Ar1および前記Ar2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よい。前記置換基はハロゲン原子、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よい。前記Ar1と前記Ar2とは互いに結合してカルバゾリル基またはフェノキサジニル基を形成してよい。
    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。
    1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。
    1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。
    Figure 0007013163000044
    一般式[2-1]乃至[2-9]において、R15乃至R44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、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。
  2. 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。
  3. 下記一般式[3]で表されることを特徴とする有機化合物。
    Figure 0007013163000045
    一般式[3]において、Ar1およびAr2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、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Ar1および前記Ar2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よい。前記置換基はハロゲン原子、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よい。前記Ar1と前記Ar2とは互いに結合してカルバゾリル基またはフェノキサジニル基を形成してよい。
    1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。
    7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。
    1及びX2は、酸素及び硫黄からそれぞれ独立に選ばれる。
  4. 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。
  5. 下記式[B-1]乃至[B-15]、式[D-1]乃至[D-12]、式[F-1]乃至[F-10]、式[H-1]乃至[H-6]のいずれかで表されることを特徴とする請求項1に記載の有機化合物。
    Figure 0007013163000046
    Figure 0007013163000047
    Figure 0007013163000048
    Figure 0007013163000049
  6. 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。
    Figure 0007013163000050
    Figure 0007013163000051
    Figure 0007013163000052
    Figure 0007013163000053
  7. 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。
  8. 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。
  9. 前記有機n型化合物が、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、[60]PCBM、bis[60]PCBM、[70]PCBM、[60]ThCBMのいずれかであることを特徴とする請求項8に記載の光電変換素子。
    Figure 0007013163000054
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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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