有機エレクトロニクス材料

フラーレン・PCBM・修飾フラーレン

PCBMフラーレン誘導体化合物

メタノフラーレンの一種であるフェニルC61酪酸メチルエステル（[60]PCBM）は、溶液処理が可能な、最も実用的なn型有機半導体の一つです。[60]PCBMは、p型共役ポリマーと混合して有機太陽電池（OPV）を作成するのに最もよく使われるn型半導体です1,2,6。また、光検出器7や有機電界効果トランジスタ（OFET）3など、他の応用にも期待できます8。

PCBMは、MDMO-PPV、MEH-PPV、P3HTなどの優れたp型半導体と同じ有機溶媒に溶解します（表3）。このため、混合液の調製も、ヘテロ接合太陽電池やOFET作製用の溶液の調製も容易です。PCBMの高い電子親和性によって、バイアスをかけられた薄膜OFETの金属電極からの場合と同様に、p型ポリマーから効率の良い光誘起性電子移動が起こります4。PCBMを用いたバルクヘテロ接合太陽電池では、最大約4.4%の電力変換効率が報告されています5。

薄膜有機エレクトロニクス素子の作製は複雑で、わずかな分子構造の違いが膜の形態や電荷輸送に非常に大きな影響を及ぼします。アルドリッチでは、溶解性や電子的特性を変えるために側鎖を化学的に変更した[60]PCBM化合物だけでなく、高次フラーレン（C70およびC84）をベースにしたさまざまなタイプのPCBM誘導体化合物（表1）を販売いたしております。表2には代表的なPCBM化合物の物性を記載しました。

PCBMやP3HTをはじめとする有機半導体を用いた有機薄膜太陽電池の基礎と作製方法を、東京大学の松尾豊先生に解説していただきました。弊社季刊誌「材料科学の基礎 No.4　有機薄膜太陽電池の基礎」をご参考ください。また、「有機エレクトロニクスにおけるn型半導体フラーレン誘導体」と題した、Jan C. Hummelen教授（フローニンゲン大学）のレビューもあわせてご覧ください。

 

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表1：PCBMフラーレン誘導体化合物の一覧 （n型低分子有機半導体の最新製品リスト）

製品番号 製品名 構造式 用途
802832 C60-SAM, 99% 逆構造型ポリマー太陽電池やペロブスカイト - ポリマーハイブリッド太陽電池などの有機太陽電池における、フラーレンベースの自己組織化単分子膜として使用されます26。
704326 [6.6] Diphenyl C62 bis(butyric acid methyl ester)(mixture of isomers), Bis[60]PCBM,
99.5%		 bis[60]PCBM構造式 溶解性のn-チャネル有機半導体で、polymer:fullereneバルクへテロ結合型太陽電池に使用されました21。Bis[60]PCBMのLUMOがPCBMよりも100meV高いことで、P3HTとBis[60]PCBMベースの太陽電池の開放電圧が高い曲線因子（FF）と電流密度のまま、0.73V高くなります。
684430 Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl Ester, [60]PCBM,
99% (scale-up grade)		 [60]PCBM構造式 最も有名なPCBM化合物です。有機溶媒に溶解可能で効果的なn型半導体で、用途は有機太陽電池（OPV）、薄膜トランジスタ（OFET）、および光検出器などです6-8。
684449 Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl Ester, [60]PCBM,
99.5% (research grade)
684457 Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl Ester, [60]PCBM,
99.9% (for exploratory work)
684465 Phenyl-C71-Butyric-Acid-Methyl Ester, [70]PCBM, 99% [70]PCBM構造式 [70]PCBMは、[60]PCBMと比較して可視領域光の吸収が高く、特にMDMO-PPV（546461）のようなバンドギャップが大きい電子供与体と組み合わせること、OPVでの集光性が向上します9。
- Phenyl-C85-Butyric-Acid-Methyl Ester, [84]PCBM, 99% [84]PCBM構造式 [84]PCBMは、入手可能なPCBMの中で可視領域を最もよく吸収し、電子受容能が最も高いPCBMです。また、LUMOが非常に低いので、OFETへの利用が有望視されています10。
685321 Phenyl-C61-Butyric-Acid-Butyl Ester, PCBB, [60]PCB-C4 , > 97% PCBB構造式 PCBBは[60]PCBMよりわずかに溶解性が高いため、膜の形態が改善され、特定の有機溶媒（THF、p-キシレン）から析出したOPV素子の性能が向上します11。
684481 Phenyl-C61-Butyric-Acid-Octyl Ester, PCBO, [60]PCB-C8 , 99% PCBO構造式 有機溶媒および混合物中の一般的な電子受容体および捕捉剤への応用に適した、溶解性の高いPCBMです。
688215 Thienyl-C61-Butyric-Acid-Methyl Ester, [60]ThCBM, 99% [60]ThCBM構造式 P3HT（698989）などのポリチオフェンp型半導体と最もよく混ざるように最適化されたPCBM誘導体です12。
684503 Pentadeuterophenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl Ester, d5-PCBM, 99% d5-PCBM構造式 膜形態の分光学的研究（例：SIMS）および薄膜有機素子中で拡散させるために同位体で標識化されたPCBMです。

表2：PCBM誘導体の特性13

  [60]PCBM [70]PCBM [84]PCBM [60]ThCBM
製品番号 684430、684449、684457 684465 - 688215
第一還元電位, E1/2 (V) -1.078 -1.089 -0.730 -1.08
溶解性 (mg/ml) トルエン 10 20 - 5
p -キシレン 5 10 - 5
クロロベンゼン 25 40 - 10
クロロホルム 25 30 - 20
o -ジクロロベンゼン（ODCB） 30 70 - 20
モル吸光係数
（ mol-1・cm-1）		 400nm 4,900 19,000 28,000  
650nm <1,000 2,000 4,000  

 

表3：p型およびn型有機半導体の伝導帯（LUMO）および価電子帯（HOMO）エネルギー2,3

化合物名 製品番号 LUMO HOMO 溶媒
MDMO-PPV （p-type） 546461 -2.8eV -5.0eV クロロホルム
クロロベンゼン
ジクロロベンゼン
トルエン
MEH-PPV （p-type） 541443（平均分子量（Mw） 40,000 - 70,000）
541435（平均分子量（Mw） 70,000 - 100,000）
536512（平均分子量（Mw） 150,000 - 250,000）		 -3.2eV -5.4eV
P3HT （p-type） 445703（regioregular）
510823（regiorandom）
 -3.3eV -5.0eV
PCBM （n-type） 684430（99%）
684449（99.5%）
684457（99.9%）		 -3.7eV -6.1eV

 

フラーレン化合物については左記のページもご参考ください。
     

References

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  2. Thompson, B. C.; Kim, Y.; Reynolds, J. R. Macomolecules 2005, 38, 5359.
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