Plexcore® OS, OC −高性能有機半導体・導電性インク−
P3HT半導体
太陽光発電と固体照明（solid-state lighting: SSL）は、実用可能な代替エネルギー技術として期待されているテクノロジーです。プリントエレクトロニクスによる低コストの生産方法と太陽光、固体照明パネルが組み合わさって、経済的にも環境的にも現在及び将来のエネルギー問題を解決できるかもしれません。太陽光発電（organic photovoltaic: OPV）や有機EL素子（OLEDs）の研究は、試験装置にて確実に動作する高純度の有機化合物を見つけることができるかにかかっています。Plextronics社によって開発された「Plexcore®有機半導体・導電性インク」はポリチオフェンをベースとした有機エレクトロニクスデバイス開発用材料です。
Plexcore® OS P3HT 有機半導体
化学的にはどちらのp型有機半導体もレジオレギュラーの半結晶性ポリ（3-ヘキシルチオフェン）ポリマー（P3HT, RR-P3HT）で、分光学的にも電子的にも優れた性質を示します（図1）。Plextronics社によって開発された製造方法によって、分子量(MW)、多分散指数(polydispersity: PDI)、regioregularity、金属不純物などに関するロット間の違いを小さくすることが可能となりました。ロットごとの一貫性は、プラスチックデバイスの導電性をはじめとするパフォーマンスの再現性を維持するのに重要な要素です。
Plexcore® OS 2100の太陽光発電素子への応用
Plexcore® OS 2100は、OS1100と比べて高分子量であり、太陽光発電素子（OPV）への応用のために開発された、超高純度（<25 ppm trace metals）でregioregularity（>98% head-to-tail）なP3HTポリマーです（図2）。さらに、OS 2100は大面積のデバイスプロセス用のプリンタブルインクとして設計されています。そのため、スケールアップした場合にも一貫性や再現性に優れています。
図1 Plexcore® OS 2100（698997）とOS 1100（698989）の構造式
図2 Plexcore® OS 2100を用いてプリントした太陽光発電セル
図3aは、太陽光発電素子の積層構造の模式図です。光活性層は[6,6]phenyl C61 butyric acid methyl ester（PCBM、684449など）とPlexcore® OS 2100の混合物で構成されています。この混合物は光活性インクとして作成され、正孔輸送層（hole transport layer: HTL）の上にスピンコートすることで太陽光発電素子を作成しました。この素子の活性層中のP3HT-PCBMバルクへテロ接合によって優れた電荷分離（励起子解離）が起こり、素子の電極へと効率的に電荷が移動します。
下記の電流-電圧曲線（図3b）は、国立再生可能エネルギー研究所（the National Renewable Energy Laboratory: NREL）で認定された、Plexcore® OS 2100を用いた典型的なP3HT-PCBMのパフォーマンス示したもので、3.39%の変換効率です。これはP3HT-PCBMの典型的な性能で、太陽光発電システムを最適化することでより高いパフォーマンスを達成することができます。たとえば、約4.4%の電力変換効率のデバイスをすでに作成済みです1。
図3a P3HT-PCBM太陽光発電素子の積層構造
（ITO: Indium Tin Oxide、PCBM: [6,6] phenyl C61 butyricacid methyl ester（684449）、Ca/Al: Calcium / Aluminum）
図3b 典型的なPlexcore® OS 2100太陽光発電セルの電流-電圧曲線
Plexcore® OS 2100を使ったデバイス作成に関するその他の情報が記載された「Tech Bulletin AL-250」や、弊社PCBM製品情報もご覧ください。弊社季刊誌「Material Matters Vol.3 No.4」にもPlexcore®に関する記事が掲載されております。また、上記以外の「ポリアルキルチオフェン化合物」については、USサイトの製品リスト（新しいページが開きます）をご覧ください。
Plexcore® OS 1100の有機電界効果トランジスタへの応用
Plexcore® OS 1100は、OS 2100と比べて低分子量であり、有機電界効果トランジスタ（organic field effect transistors: OFETs）の活性層用に最適化されたP3HT高分子半導体です。P3HT-OFETは一般的にボトムゲート構造（図4a）にて使用されますが、他のデバイス構造でより高いホール電流を運ぶことも可能です。たとえば、チャネルの長さが10ミクロンで幅10,000ミクロンの典型的なボトムゲート型OFETでキャリア移動度：5×10-4 cm2/Vs、ON/OFF比：104という結果が得られています。具体的なデバイスの性能はP3HT膜の形態に依存するので、つまり、コーティング条件とregioregularityを含むポリマーの性質に影響されます。図4bでボトムゲート型OFETの一般的な性能を示します。
図4a Plexcore® OS 1100を用いたボトムゲート型OFETの模式図
図4b Plexcore® OS 1100を用いたボトムゲート型OFETの性能図
Plexcore® OS 1100を用いたデバイス作製プロセスに関するより詳細な情報は「Tech Bulletin AL-248」をご参照ください。弊社季刊誌「Material Matters Vol.3 No.4」にもPlexcore®に関する記事が掲載されております。
| 製品名* | 分子量 （Mn） |
PDI （Mw/Mn） |
Regioregularity （RR） |
金属含有量 | サイズ | Aldrich 製品番号 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Plexcore® OS 1100 | 25,000 - 35,000 | 約2.0 | > 95% | < 50 ppm | 250mg, 1g | 698989 |
| Plexcore® OS 2100 | 45,000 - 65,000 | > 98% | 698997 |
*Products of Plextronics, Inc., U.S. Pat. 6.166.172. Plexcore is a registered trademark of Plextronics, Inc.
Plexcore® OC -導電性インク-
位置選択的重合技術を用いることで、Plextronics社では有機ELデバイス（図6）のホール注入層（hole injection layers: HIL）作成にご利用いただけるpoly(thiophene-3-[2[(2-methoxyethoxy)ethoxy]-2,5-diyl)溶液（図5）を開発しました。
図5 Plexcore® OC 1100 (699799) と OC 1200 (699780)の構造式
図6 Plexcore® OC導電性インクをホール注入層に用いた（実験室規模の）有機EL素子
Plexcore® OC導電性インクは、ITOガラス基板にスピンコートすることで、ハイブリッド燐光有機EL（PHOLED：phosphorescent organic light emitting diode）デバイスのホール注入層を作製できます（図7）。Plexcore® OCの長所として、酸性度の低減（電極劣化を抑える）、各種性質を調整できるため、デバイス性能の最適化が容易、溶液プロセスの利用が可能などが挙げられます。さらに、Plexcore® OCのユニークな多様性によって、ホール注入層の仕事関数を他のデバイススタックと調節するのに用いることが可能で、表面でのインジェクションロスを最小限にし、低電圧でのデバイス駆動が可能になり、デバイスの寿命を引き伸ばすことができます。Plexcore® OCは蒸着法を用いた有機ELやポリ(フェニレンビニレン)（PPV）やポリフルオレンエミッタを用いた高分子有機ELなど、幅広い種類のデバイス構造に用いることができます。
図7 有機EL素子の積層構造
（ITO: Indium Tin Oxide; NPB: N,N’-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N’-bis(phenyl)benzidine (556696); CBP: 4,4’-N,N’-dicarbazole-biphenyl (699195); Ir(ppy)3: tris-[2-phenylpyridinato-C2,N]iridium(III) (694924); BCP: 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (bathocuproine) (699152); Alq3: tris-8-hydroxyquinoline aluminium (697737); Ca/Al: Calcium/Aluminium）
図8はPlexcore® OC1200（図8a）とPlexcore® OC1100（図8b）とをそれぞれ用いて作製した緑色燐光有機ELの典型的な性能データです。デバイスの立ち上がり電圧はエミッターのバンドギャップとほぼ同じなので、界面のエネルギー障壁が低いことを示しており、これは効率的な正孔注入によるものと考えられます。その結果、この燐光有機ELデバイス構造で14〜15 cd/Aという高い効率が得られた上、電流密度の増加に伴う効率低下が緩やかなデバイスが作成できます。
図8a Plexcore® OC 1200 (699780) (燐光有機ELでの性能)
図8b Plexcore® OC 1100 (699799) (燐光有機ELでの性能)
Plexcore® OCをホール注入層として使用した燐光有機ELの発光効率を図9に示します。発光効率のロスは輝度が1000cd/m2まで最小限に抑えられています。
図9 Plexcore® OCをホール注入層として使用した燐光有機ELの発光効率
Plexcore® OC導電性インクを用いたデバイス作製プロセスに関するより詳細な情報は「Tech Bulletin AL-251」をご参照ください。弊社季刊誌「Material Matters Vol.3 No.4」にもPlexcore®に関する記事が掲載されております。
| 製品名* | 仕事関数（eV） | 抵抗値 （W-cm） |
粘度 （cP） |
pH | 表面張力 （dynes/cm） |
サイズ | Aldrich 製品番号 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Plexcore® OC 1100 | 5.1 - 5.2 | 50 - 500 | 8 - 15 | 2.1 - 2.4 | 35 - 38 | 25mL | 699799 |
| Plexcore® OC 1200 | 500 - 2,000 | 5 - 12 | 699780 |
*OC 1100： 2% in 1,2-propanediol/isopropanol
*OC 1200： 2% in ethylene glycol monobutyl ether/water (3 : 2)
*Products of Plextronics, Inc., U.S. Pat. 6.166.172. Plexcore is a registered trademark of Plextronics, Inc.
References
- Li, G.; Shotriya, V.; Huang, J.; Tao, Y.; Moriarty, T.; Emery, K.; Yang, Y.; High-Efficiency Solution Processable Polymer Photovoltaic Cells by Self-Organization of Polymer Blends, Nature. Mater. 4, 2005, 864-868.
