共轭系聚合物、使用了该共轭系聚合物的供电子性有机材料、光伏元件用材料及光伏元件制造技术

本发明专利技术的目的在于提供光电转换效率高的光伏元件。一种供电子性有机材料，其使用了共轭系聚合物，所述共轭系聚合物具有噻吩并[3,4-b]噻吩骨架和具有杂芳基的苯并[1,2-b：4,5-b’]二噻吩骨架结构，所述噻吩并[3,4-b]噻吩骨架具有特定的烷基部分为直链烷基的烷氧基羰基或者烷基部分为直链烷基的烷酰基。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】共轭系聚合物、使用了该共轭系聚合物的供电子性有机材料、光伏元件用材料及光伏元件
本专利技术涉及共轭系聚合物、使用了该共轭系聚合物的供电子性有机材料、光伏元件用材料以及光伏元件。
技术介绍
太阳能电池，作为环保的电能源，被当作对于现在日益严重的能源问题而言有力的能源。现在，作为太阳能电池的光伏元件的半导体原材料，使用单晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半导体等无机物。但是，使用无机半导体制造的太阳能电池由于成本高，还未在一般家庭广泛普及。成本高的原因主要在于，在真空且高温下制造半导体薄膜的工艺。因此，作为可以期待制造工艺的简化的半导体原材料，对使用共轭系聚合物、有机晶体等有机半导体、有机色素的有机太阳能电池进行了研究。但是，使用了共轭系聚合物等的有机太阳能电池，与以往的使用了无机半导体的太阳能电池相比，光电转换效率低是最大问题，还没有得到实用化。以往的使用了共轭系聚合物的有机太阳能电池的光电转换效率低是由于，太阳光的吸收效率低，形成通过太阳光生成的电子与空穴难以分离的激子的束缚态，和由于容易形成捕获载流子(电子、空穴)的陷阱(trap)、而所生成的载流子容易被陷阱捕获、载流子的迁移率慢等。迄今的利用有机半导体的光电转换元件，目前可以分类为供电子性有机材料(p型有机半导体)和功函数小的金属接合而成的肖特基型、受电子性有机材料(n型有机半导体)和供电子性有机材料(p型有机半导体)接合的异质结型。这些元件由于仅接合部的有机层(几个分子层程度)有助于光电流生成，因此光电转换效率低，光电转换效率的提高成为课题。作为用于提高光电转换元件的光电转换效率的一种方法，有将受电子性有机材料(n型有机半导体)和供电子性有机材料(p型有机半导体)混合、形成有助于光电转换的接合面增加了的本体异质结型的方法。其中，报告了使用共轭系聚合物作为供电子性有机材料(p型有机半导体)，使用具有n型半导体特性的导电性高分子、C60等富勒烯、富勒烯衍生物作为受电子性有机材料的本体异质结型光电转换元件。另外，为了有效地吸收太阳光光谱的宽范围的辐射能、提高光电转换效率，带隙变窄的供电子性有机材料是有用的(例如参照非专利文献1和2)。作为这种窄带隙供电子性有机材料，报告了噻吩并[3,4-b]噻吩骨架和苯并[1,2-b：4,5-b’]二噻吩骨架组合而成的共聚物表现出特别优异的光伏特性，迄今合成了许多衍生物(例如参照专利文献1)。现有技术文献专利文献专利文献1：国际公开第2011/011545号小册子非专利文献非专利文献1：E.Bundgaard、F.C.Krebs著，“SolarEnergyMaterials＆SolarCells”、2007年，91卷，954页非专利文献2：H.Zhou、L.Yang、W.You著、“Macromolecules”，2012年，45卷，607页。
技术实现思路
专利技术要解决的问题但是，对于迄今的利用噻吩并[3,4-b]噻吩骨架和苯并[1,2-b：4,5-b’]二噻吩骨架的共聚形成的供电子性有机材料而言，不能兼具窄带隙化和高的载流子迁移率、以及与以富勒烯衍生物为代表的受电子性材料的相容性，得不到充分的转换效率。本专利技术的目的在于，提供通过最合适的取代基和侧链的选择来兼具窄带隙化、高的载流子迁移率以及与受电子性材料的相容性的供电子性有机材料，提供光电转换效率高的光伏元件。用于解决问题的方案对由噻吩并[3,4-b]噻吩骨架和苯并[1,2-b：4,5-b’]二噻吩骨架构成的共轭系聚合物的取代基和侧链的种类进行研究，结果发现了改善供电子性材料的性能、提高光伏元件的转换效率的结构。即，本专利技术为具有通式(1)所示结构的共轭系聚合物、使用了该共轭系聚合物的供电子性有机材料、光伏元件用材料和光伏元件。[化1](上述通式(1)中，R1表示烷基部分为直链烷基的烷氧基羰基或烷基部分为直链烷基的烷酰基，它们只要保持直链结构则可以被取代，R2分别可以相同也可以不同、表示可以被取代的杂芳基，X表示氢原子或卤原子，n表示聚合度、表示2以上且1000以下的整数)。专利技术效果根据本专利技术，可以提供光电转换效率高的光伏元件。附图说明[图1]为表示本专利技术的光伏元件的一方式的示意图。[图2]为表示本专利技术的光伏元件的另外的方式的示意图。[图3]为表示本专利技术的光伏元件的另外的方式的示意图。[图4]为表示本专利技术的光伏元件的另外的方式的示意图。[图5]为实施例1(施主受主比1:1)的电压-电流密度曲线。具体实施方式本专利技术的共轭系聚合物含有通式(1)所示的结构。[化2]上述通式(1)中，R1表示烷基部分为直链烷基的烷氧基羰基或烷基部分为直链烷基的烷酰基，它们只要保持直链结构则可以被取代。通过在噻吩并[3,4-b]噻吩骨架的2位配置具有羰基的取代基，可以加深共轭系聚合物的HOMO能级，用作供电子性有机材料的情况下，能够提高光伏元件的开路电压。直链状的烷基，与支链状的烷基相比，可以提高共聚物的压紧(packing)性，因此可以提高共轭系聚合物的载流子迁移率。R2分别可以相同也可以不同，表示可以被取代的杂芳基。通过在通式(1)的R2的位置导入杂芳基，可以提高共聚物的平面性、提高共轭系聚合物的载流子迁移率。在此，烷氧基羰基表示通过酯键连接的烷基。烷酰基表示通过酮基连接的烷基。另外，直链烷基例如为丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基这样的直链状的饱和脂肪族烃基，可以未取代，若保持直链结构则也可以被取代。另外，只要保持直链结构则取代基可以进一步被取代。作为保持直链结构的同时被取代的情况的取代基的例子，可列举出烷氧基、硫代烷氧基(thioalkoxy)、卤素。烷基的碳数，为了兼具共轭系聚合物的充分溶解性和载流子迁移率，优选为4以上且10以下，特别优选为7以上且9以下。作为烷基上的取代基，卤素具有改善共轭系聚合物的聚集状态的效果，优选使用原子半径小的氟。另外，杂芳基例如表示噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、吡唑基、噁唑基、吡啶基、吡唑基（pyrazyl）、嘧啶基、噻吩并噻吩基等具有碳以外的原子的芳香杂环基。R2中使用的杂芳基的碳数，为了保持载流子迁移率，优选为2以上且6以下，为了抑制与苯并二噻吩骨架的扭转而提高压紧性，特别优选使用分子尺寸小的五元环结构的噻吩基或呋喃基。作为杂芳基上的取代基，为了兼具共轭系聚合物的溶解性和载流子迁移率，优选为碳数6以上且10以下的烷基或烷氧基，它们可以为直链状或支链状。上述通式(1)中，X表示氢原子或卤素。在此，卤素指的是氟、氯、溴、碘中的任意一种。为了有效地加深共轭系聚合物的HOMO能级、另外保持压紧性，特别优选使用原子半径小的氟。另外，n表示聚合度、表示2以上且1000以下的整数。通过使得n为5以上，可以提高共轭系聚合物的载流子迁移率，另外可以在前述本体异质结薄膜中形成有效的载流子通路(pass)，因此可以提高光电转换效率，从合成上的容易程度的观点考虑，n优选不足100。聚合度可以由重均分子量求得。重均分子量可以使用GPC(凝胶渗透色谱)测定、换算为聚苯乙烯的标准试样来求得。需要说明的是，共轭系聚合物中的噻吩并[3,4-b]噻吩骨架的方向可以为随机（ランダム）或区域规整（レジオレギュラー）。对于前述本体异质结型光伏元件中的供电子性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共轭系聚合物，其具有通式(1)所示的结构，[化1]上述通式(1)中，R1表示烷基部分为直链烷基的烷氧基羰基或烷基部分为直链烷基的烷酰基，它们只要保持直链结构则可以被取代，R2分别可以相同也可以不同、表示可以被取代的杂芳基，X表示氢原子或卤原子，n表示聚合度、表示2以上且1000以下的整数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.09.14 JP 2012-202264;2013.02.04 JP 2013-019101.一种共轭系聚合物，其具有通式(1)所示的结构，[化1]上述通式(1)中，R1表示烷基部分为直链烷基的烷氧基羰基或烷基部分为直链烷基的烷酰基，它们只要保持直链结构则可以被取代，R2分别可以相同也可以不同、表示可以被取代的杂芳基，X表示氢原子或卤原子，n表示聚合度、表示2以上且1000以下的整数。2.根据权利要求1所述的共轭系聚合物，其中，X为氟。3.一种供电子性有机材料，其使用了...

【专利技术属性】
技术研发人员：渡边伸博，北泽大辅，山本修平，下村悟，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP