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公開番号2025109186
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-24
出願番号2024231173
出願日2024-12-26
発明の名称光電変換素子及び光センサー
出願人住友化学株式会社
代理人弁理士法人太陽国際特許事務所
主分類H10K 30/60 20230101AFI20250716BHJP()
要約【課題】長波長帯において、高感度に検出できる波長帯が広い光電変換素子及び光センサーを提供する。
【解決手段】陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極との間に存在する活性層と、を有し、前記活性層は、p型半導体材料及びn型半導体材料のうちいずれか一方を含む第1層と、前記第1層に含まれる半導体材料とは異なる型の半導体材料を含む第2層と、を少なくとも有し、前記活性層の光吸収最大波長(λmax)が1000nmを超える、光電変換素子。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極との間に存在する活性層と、を有し、
前記活性層は、ｐ型半導体材料及びｎ型半導体材料のうちいずれか一方を含む第１層と、前記第１層に含まれる半導体材料とは異なる型の半導体材料を含む第２層と、を少なくとも有し、
前記活性層の光吸収最大波長（λｍａｘ）が１０００ｎｍを超える、光電変換素子。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記活性層の光吸収末端波長（λｔｈ）が１２００ｎｍ以上である、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記第１層に含まれる前記ｐ型半導体材料又は前記ｎ型半導体材料は、そのエネルギーバンドギャップが１ｅＶ未満である、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記第１層に含まれる半導体材料が、ｎ型半導体材料である、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記第１層に含まれる半導体材料がｎ型半導体材料であり、前記ｎ型半導体材料のＬＵＭＯエネルギーが－４．２ｅＶ以下である、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記第１層に含まれる半導体材料がｎ型半導体材料であり、前記ｎ型半導体材料のＨＯＭＯエネルギーが－５．０ｅＶ以下である、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記第１層に含まれる半導体材料がｎ型半導体材料であり、前記ｎ型半導体材料は下記式（１）で示される化合物である、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
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（式（１）中、
Ｄは電子供与性の２価の基であり、１価の側鎖Ｒ
Ｄ１
を少なくとも１つ有し、
Ｌ１は２価の芳香族基であり、１価の側鎖Ｒ
Ｌ１
を少なくとも１つ有し、
Ｌ１中の前記芳香族基は、隣り合うユニット中の元素と非共有結合性の相互作用をし得る元素を有し、
Ｒ
Ｄ１
及びＲ
Ｌ１
は、それぞれ独立して、
ハロゲン原子、
置換基を有していてもよいアルキル基、
置換基を有していてもよいシクロアルキル基、
置換基を有していてもよいアリール基、
置換基を有していてもよいアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいアリールオキシ基、
置換基を有していてもよいアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいアリールチオ基、
置換基を有していてもよい１価の複素環基、
置換基を有していてもよい置換アミノ基、
置換基を有していてもよいアシル基、
置換基を有していてもよいイミン残基、
置換基を有していてもよいアミド基、
置換基を有していてもよい酸イミド基、
置換基を有していてもよい置換カルボニル基、
置換基を有していてもよい置換オキシカルボニル基、
置換基を有していてもよい置換スルホニル基、
置換基を有していてもよい置換オキシスルホニル基、
置換基を有していてもよいアルケニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルケニル基、
置換基を有していてもよいアルキニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルキニル基、
シアノ基、又は
ニトロ基を表し、
Ｌ２は、２価の芳香族基であり、
ｍは、１～４のいずれかの整数であり、
ｎは、０～４のいずれかの整数であり、
Ａ１及びＡ２は、それぞれ独立して、下記式（Ａ－１）で表される基である。
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式（Ａ－１）中、Ａｒは、置換基を有していてもよい炭素環、又は置換基を有していてもよい複素環を表し、前記炭素環及び前記複素環は、それぞれ独立して単環又は縮合環であり、前記炭素環又は前記複素環が置換基を複数有する場合、複数ある置換基は、同一であってもよく異なっていてもよい。）
【請求項８】
ｎは、１～４のいずれかの整数である、請求項７に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記第１層は、ｐ型半導体材料及びｎ型半導体材料を含む第２層と接している、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記第２層はｐ型半導体材料を含み、前記ｐ型半導体材料が正孔輸送材料である、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、光電変換素子及び光センサーに関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
光電変換素子は、例えば、省エネルギー、二酸化炭素の排出量の低減の観点から極めて有用なデバイスであり、注目されている。
【０００３】
光電変換素子とは、陽極及び陰極からなる一対の電極と、該一対の電極間に設けられる活性層とを少なくとも備える素子である。光電変換素子においては、上記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極を透明又は半透明の材料から構成し、透明又は半透明とした電極側から活性層に光を入射させる。活性層に入射した光のエネルギー（ｈν）によって、活性層において電荷（正孔及び電子）が生成し、生成した正孔は陽極に向かって移動し、電子は陰極に向かって移動する。そして、陽極及び陰極に到達した電荷は、素子の外部に取り出される。
【０００４】
例えば、非特許文献１及び非特許文献２には、可視光領域付近の光を光電変換する有機光検出器（organic photodetector；ＯＰＤ）が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
Zeyu He et al., Reverse-distribution phase featured gradient heterojunction: A universal strategy to realize high-performance near-infrared organic photodetectors for real-time arterial monitoring, Nano Energy 114 (2023)108673
Ying Zhang et al., Graded bulk-heterojunction enables 17% binary organic solar cells via nonhalogenated open air coating, NATURE COMMUNICATIONS (2021) 12:4815
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これまでの報告においては、長波長帯の光に対する光電変換素子に関する知見は限られていた。本開示は上記に鑑みてなされたものであり、本開示は、長波長帯において、高感度に検出できる波長帯が広い光電変換素子及び光センサーの提供に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための具体的な手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極との間に存在する活性層と、を有し、
前記活性層は、ｐ型半導体材料及びｎ型半導体材料のうちいずれか一方を含む第１層と、前記第１層に含まれる半導体材料とは異なる型の半導体材料を含む第２層と、を少なくとも有し、
前記活性層の光吸収最大波長（λｍａｘ）が１０００ｎｍを超える、光電変換素子。
＜２＞前記活性層の光吸収末端波長（λｔｈ）が１２００ｎｍ以上である、＜１＞に記載の光電変換素子。
＜３＞前記第１層に含まれる前記ｐ型半導体材料又は前記ｎ型半導体材料は、そのエネルギーバンドギャップが１ｅＶ未満である、＜１＞又は＜２＞に記載の光電変換素子。
＜４＞前記第１層に含まれる半導体材料が、ｎ型半導体材料である、＜１＞～＜３＞のいずれか１つに記載の光電変換素子。
＜５＞前記第１層に含まれる半導体材料がｎ型半導体材料であり、前記ｎ型半導体材料のＬＵＭＯエネルギーが－４．２ｅＶ以下である、＜１＞～＜４＞のいずれか１つに記載の光電変換素子。
＜６＞前記第１層に含まれる半導体材料がｎ型半導体材料であり、前記ｎ型半導体材料のＨＯＭＯエネルギーが－５．０ｅＶ以下である、＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の光電変換素子。
＜７＞前記第１層に含まれる半導体材料がｎ型半導体材料であり、前記ｎ型半導体材料は下記式（１）で示される化合物である、＜１＞～＜６＞のいずれか１つに記載の光電変換素子。
【０００８】
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【０００９】
式（１）中、
Ｄは電子供与性の２価の基であり、１価の側鎖Ｒ
Ｄ１
を少なくとも１つ有し、
Ｌ１は２価の芳香族基であり、１価の側鎖Ｒ
Ｌ１
を少なくとも１つ有し、
Ｌ１中の前記芳香族基は、隣り合うユニット中の元素と非共有結合性の相互作用をし得る元素を有し、
Ｒ
Ｄ１
及びＲ
Ｌ１
は、それぞれ独立して、
ハロゲン原子、
置換基を有していてもよいアルキル基、
置換基を有していてもよいシクロアルキル基、
置換基を有していてもよいアリール基、
置換基を有していてもよいアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルオキシ基、
置換基を有していてもよいアリールオキシ基、
置換基を有していてもよいアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいシクロアルキルチオ基、
置換基を有していてもよいアリールチオ基、
置換基を有していてもよい１価の複素環基、
置換基を有していてもよい置換アミノ基、
置換基を有していてもよいアシル基、
置換基を有していてもよいイミン残基、
置換基を有していてもよいアミド基、
置換基を有していてもよい酸イミド基、
置換基を有していてもよい置換カルボニル基、
置換基を有していてもよい置換オキシカルボニル基、
置換基を有していてもよい置換スルホニル基、
置換基を有していてもよい置換オキシスルホニル基、
置換基を有していてもよいアルケニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルケニル基、
置換基を有していてもよいアルキニル基、
置換基を有していてもよいシクロアルキニル基、
シアノ基、又は
ニトロ基を表し、
Ｌ２は、２価の芳香族基であり、
ｍは、１～４のいずれかの整数であり、
ｎは、０～４のいずれかの整数であり、
Ａ１及びＡ２は、それぞれ独立して、下記式（Ａ－１）で表される基である。
【００１０】
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（【００１１】以降は省略されています）

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