Development of bis-substituted fullerene derivatives for high efficiency organic photovoltaics

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K05971
• Research Institution: Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 伊藤 貴敏 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究部長 (60416295)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩井 利之 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 主任研究員 (20416291) ; 松元 深 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 主任研究員 (50416301) ; 隅野 修平 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究員 (60783272)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: フラーレン / 選択的合成 / ヒドラゾン / 硫黄イリド / 有機薄膜太陽電池

Outline of Annual Research Achievements

フラーレン骨格に有機基を二つ置換すると、π共役系が縮小され高LUMO化するため、電圧値が向上すると報告されている。有機薄膜太陽電池材料のアクセプタ材料の設計に関しては高LUMO化させることにより性能の改善が試されている。しかしながら、フラーレンへの複数置換基の導入においては異性体混合物を生じ、そのそれぞれのエネルギー準位が異なることから、電池性能の評価において電圧値の極小化が起こる。また、有機付加基の立体的な影響が、電子移動度の低下を引き起こす可能性があると考えられている。これら負の影響を小さくするために、高度かつコンパクトに置換位置を制御した有機二置換フラーレンを高選択的が合成できる付加前駆体を分子設計した。そこで異性体の生成を抑制するために分子中に二つの反応基を有する付加前駆体を設計した。これまでの成果としてフラーレンに対して二つ置換するために付加前駆体の分子内に二つの反応性基（トシルヒドラジンとスルフィド）を有する付加前駆体を新規に合成し、アクセプタ材料の標準として利用されているPCBMに類似したフェニル基およびメチルエステル基を含む二置換フラーレン誘導体を合成した。また、付加前駆体の合成のおいては、６工程が必要であった合成法を、芳香族炭化水素と3-クロロプロピオニルクロリドを原料とした工程へ改良により、付加前駆体を3工程で得ることを見出した。得られたフェニル基およびメチルエステル基を含む二置換フラーレン誘導体は、エステル基を加水分解した後にジイソブチルアルミニウムヒドリドで反応させることにより、新たな二置換フラーレン誘導体であるアルコール体へと変換することができた。