JP2014185191A - Copolymer, organic solar cell using the same and manufacturing method thereof - Google Patents

Copolymer, organic solar cell using the same and manufacturing method thereof Download PDF

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ベ、ジェスーン
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: an organic semiconductor material which has high hole mobility, can exhibit excellent electrical properties and is excellent in photovoltaic conversion efficiency properties; and an organic solar cell comprising the same.SOLUTION: Disclosed herein are a specific terpolymer including a 3,6-carbazole group, an organic solar cell comprising the terpolymer in an organic material layer including a photoactive layer, and a method for manufacturing the same.

Description

本明細書は、新規な共重合体、これを含む有機太陽電池およびその製造方法に関する。   The present specification relates to a novel copolymer, an organic solar cell including the same, and a method for producing the same.

1992年、UCSBのHeegerが有機高分子を用いた太陽電池の可能性を最初に示したことを皮切りに、現在にいたるまで、これに対して多くの研究がなされている。これは、光を吸収する有機高分子と、電子親和性が極めて高いC60フラーレン誘導体またはC70フラーレン誘導体とを混合した異種接合薄膜素子であり、透明電極のITO(indium tin oxide)を陽極とし、低い仕事関数を有するAlなどの金属電極を陰極物質として使用する。   Since 1992, when UCSB Heeger first showed the potential of solar cells using organic polymers, much research has been done to date. This is a heterojunction thin film element in which an organic polymer that absorbs light and a C60 fullerene derivative or C70 fullerene derivative having an extremely high electron affinity are mixed, with a transparent electrode ITO (indium tin oxide) as an anode, and a low A metal electrode such as Al having a work function is used as the cathode material.

有機高分子で構成された光活性層で光を吸収し、電子−正孔対(electron−hole pairあるいはexciton)が形成される。この電子−正孔対は、共重合体とC60フラーレン誘導体またはC70フラーレン誘導体との界面に移動し、電子と正孔に分離された後、電子は金属電極に、正孔は透明電極に移動することにより、電子を発生する技術である。   Light is absorbed by a photoactive layer made of an organic polymer to form electron-hole pairs (excitons). This electron-hole pair moves to the interface between the copolymer and the C60 fullerene derivative or C70 fullerene derivative, and after being separated into electrons and holes, the electrons move to the metal electrode and the holes move to the transparent electrode. This is a technology for generating electrons.

現在、有機高分子を用いた有機高分子薄膜太陽電池の効率は、7〜8%に達している(Nature Photonics、2009、3、649−653)。   Currently, the efficiency of organic polymer thin film solar cells using organic polymers has reached 7-8% (Nature Photonics, 2009, 3, 649-653).

しかし、今のところ、シリコンを用いた太陽電池の最大効率(〜39%)に比べて、有機高分子太陽電池の効率は未だ低い水準である。より高い効率を有する有機高分子太陽電池に対する開発が要求される。   However, so far, the efficiency of organic polymer solar cells is still low compared to the maximum efficiency (˜39%) of solar cells using silicon. Development for organic polymer solar cells with higher efficiency is required.

最近、大韓民国特許公開公報第10−2010−0111767号では、2,7−カルバゾールが主鎖に含まれる導電性高分子とこれを用いた有機太陽電池を開示している。2,7−カルバゾールが主鎖に含まれた導電性高分子が光吸収および正孔の移動度を向上させ、太陽電池の効率を向上させるためのものである。   Recently, Korean Patent Publication No. 10-2010-0111767 discloses a conductive polymer containing 2,7-carbazole in the main chain and an organic solar cell using the same. The conductive polymer containing 2,7-carbazole in the main chain improves light absorption and hole mobility, and improves the efficiency of the solar cell.

しかし、2,7−カルバゾールの使用にもかかわらず、正孔の移動度が電子の移動度に比べて相対的に低く、光効率の向上が容易でないという問題があった。   However, despite the use of 2,7-carbazole, there is a problem that the mobility of holes is relatively low compared to the mobility of electrons, and it is not easy to improve the light efficiency.

大韓民国特許公開公報第10−2010−0111767号Korean Patent Publication No. 10-2010-0111767

Macromolecules 2011, 44(7), 1909-1919Macromolecules 2011, 44 (7), 1909-1919 Nature Photonics, 2009, 3, 649-653Nature Photonics, 2009, 3, 649-653 B. Nicolas, M. Alexandre, M. Leclerc, Adv. Mater. 19, 2295-2300B. Nicolas, M. Alexandre, M. Leclerc, Adv. Mater. 19, 2295-2300 Y. Human, A. Solyman, I. Ahmed, W. C. Darren, K. James, L. G. David, J. Mater. Chem. 21, 13649-13656Y. Human, A. Solyman, I. Ahmed, W. C. Darren, K. James, L. G. David, J. Mater. Chem. 21, 13649-13656

本明細書の目的は、正孔移動度が高く、優れた電気的特性を示すことができ、光電変換効率特性に優れた有機半導体物質とこれを含む有機太陽電池を提供することである。   An object of the present specification is to provide an organic semiconductor material that has high hole mobility, can exhibit excellent electrical characteristics, and has excellent photoelectric conversion efficiency characteristics, and an organic solar cell including the same.

本明細書は、下記化学式1の第1単位;下記化学式2の第2単位;および下記化学式3の第3単位を含む共重合体を提供する。
化学式1ないし3において、
o〜rは、0〜3の整数であり、
sおよびtは、それぞれ0〜4の整数であり、
〜Rは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトリル基;ニトロ基;イミド基;アミド基;ヒドロキシ基;置換もしくは非置換のアルキル基;置換もしくは非置換のシクロアルキル基;置換もしくは非置換のアルコキシ基;置換もしくは非置換のアリールオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルチオキシ基;置換もしくは非置換のアリールチオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルスルホキシ基;置換もしくは非置換のアリールスルホキシ基;置換もしくは非置換のアルケニル基;置換もしくは非置換のシリル基;置換もしくは非置換のホウ素基;置換もしくは非置換のアルキルアミン基;置換もしくは非置換のアラルキルアミン基;置換もしくは非置換のアリールアミン基;置換もしくは非置換のヘテロアリールアミン基;置換もしくは非置換のアリール基;置換もしくは非置換のフルオレニル基;置換もしくは非置換のカルバゾール基;およびN、O、S原子のうちの1個以上を含む置換もしくは非置換のヘテロ環基からなる群より選択されるか、隣接する2個の置換基は縮合環を形成することができ、
〜Rは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトリル基;ニトロ基;イミド基;アミド基;ヒドロキシ基;置換もしくは非置換のアルキル基;置換もしくは非置換のシクロアルキル基;置換もしくは非置換のアルコキシ基;置換もしくは非置換のアリールオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルチオキシ基;置換もしくは非置換のアリールチオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルスルホキシ基;置換もしくは非置換のアリールスルホキシ基;置換もしくは非置換のアルケニル基;置換もしくは非置換のシリル基;置換もしくは非置換のホウ素基;置換もしくは非置換のアルキルアミン基;置換もしくは非置換のアラルキルアミン基;置換もしくは非置換のアリールアミン基;置換もしくは非置換のヘテロアリールアミン基;置換もしくは非置換のアリール基;置換もしくは非置換のフルオレニル基;置換もしくは非置換のカルバゾール基;およびN、O、S原子のうちの1個以上を含む置換もしくは非置換のヘテロ環基からなる群より選択されるか、隣接する2個の置換基は縮合環を形成することができる。
The present specification provides a copolymer comprising a first unit of Formula 1 below; a second unit of Formula 2 below; and a third unit of Formula 3 below.
In chemical formulas 1 to 3,
o to r are integers of 0 to 3,
s and t are each an integer of 0 to 4,
R a to R d are the same or different from each other, and each independently represents hydrogen; deuterium; halogen group; nitrile group; nitro group; imide group; amide group; hydroxy group; substituted or unsubstituted alkyl group; Substituted or unsubstituted alkoxy group; substituted or unsubstituted aryloxy group; substituted or unsubstituted alkylthioxy group; substituted or unsubstituted arylthioxy group; substituted or unsubstituted alkylsulfoxy Substituted or unsubstituted arylsulfoxy group; substituted or unsubstituted alkenyl group; substituted or unsubstituted silyl group; substituted or unsubstituted boron group; substituted or unsubstituted alkylamine group; substituted or unsubstituted Aralkylamine group; substituted or unsubstituted arylamine group; substituted or Substituted or unsubstituted aryl groups; substituted or unsubstituted fluorenyl groups; substituted or unsubstituted carbazole groups; and substituted or unsubstituted containing one or more of N, O, S atoms Or two adjacent substituents selected from the group consisting of heterocyclic groups can form a condensed ring;
R 1 to R 7 are the same or different from each other, and are independently hydrogen, deuterium, halogen group, nitrile group, nitro group, imide group, amide group, hydroxy group, substituted or unsubstituted alkyl group, substituted or non-substituted Substituted or unsubstituted alkoxy group; substituted or unsubstituted aryloxy group; substituted or unsubstituted alkylthioxy group; substituted or unsubstituted arylthioxy group; substituted or unsubstituted alkylsulfoxy Substituted or unsubstituted arylsulfoxy group; substituted or unsubstituted alkenyl group; substituted or unsubstituted silyl group; substituted or unsubstituted boron group; substituted or unsubstituted alkylamine group; substituted or unsubstituted Aralkylamine group; substituted or unsubstituted arylamine group; substituted or Substituted or unsubstituted aryl groups; substituted or unsubstituted fluorenyl groups; substituted or unsubstituted carbazole groups; and substituted or unsubstituted containing one or more of N, O, S atoms Or two adjacent substituents selected from the group consisting of heterocyclic groups can form a condensed ring.

また、本明細書は、第1電極;第1電極に対向する第2電極;および前記第1電極と第2電極との間に備えられ、光活性層を含む1層以上の有機物層を含み、前記有機物層のうちの1層以上は、上記化学式1、化学式2および化学式3を含む共重合体を含むものである有機太陽電池を提供する。   In addition, the present specification includes a first electrode; a second electrode facing the first electrode; and one or more organic layers including the photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode. One or more of the organic material layers provide an organic solar battery including a copolymer including the chemical formula 1, the chemical formula 2, and the chemical formula 3.

さらに、本明細書は、基板を準備するステップ;前記基板の背面の一領域に第1電極を形成するステップ;前記第1電極上に、上記化学式1、化学式2および化学式3を含む共重合体を含む有機物層を形成するステップ;および前記有機物層上に第2電極を形成するステップを含む有機太陽電池の製造方法を提供する。   The present specification further comprises: preparing a substrate; forming a first electrode in a region of a back surface of the substrate; a copolymer including the above Formula 1, Formula 2, and Formula 3 on the first electrode. And a method of manufacturing an organic solar cell, comprising: forming a second electrode on the organic layer.

本明細書の共重合体は、有機太陽電池の有機物層の材料として使用可能であり、これを用いた有機太陽電池は、開放電圧の上昇および効率の上昇などで優れた特性を示すことができる。特に、本明細書にかかる新たな共重合体は、深いHOMO準位、高い電荷移動度を有して優れた特性を示すことができる。本明細書にかかる共重合体は、有機太陽電池で純粋に使用したり、不純物を混合して使用可能であり、溶液塗布法で適用可能である。また、光効率を向上させ、化合物の熱的安定性によって素子の寿命特性を向上させることができる。   The copolymer of the present specification can be used as a material for an organic material layer of an organic solar cell, and an organic solar cell using the copolymer can exhibit excellent characteristics such as an increase in open-circuit voltage and an increase in efficiency. . In particular, the new copolymer according to the present specification can exhibit excellent characteristics with a deep HOMO level and a high charge mobility. The copolymer according to the present specification can be used purely in an organic solar cell or mixed with impurities, and can be applied by a solution coating method. In addition, the light efficiency can be improved, and the lifetime characteristics of the device can be improved by the thermal stability of the compound.

3,6−カルバゾール基を含む共重合体と、2,7−カルバゾール基を含む共重合体との電荷移動度を比較したグラフである。It is the graph which compared the charge mobility of the copolymer containing a 3, 6- carbazole group and the copolymer containing a 2, 7- carbazole group. 実施例2ないし4および比較例1および2の有機太陽電池の電流電圧曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage curve of the organic solar cell of Examples 2 thru | or 4 and Comparative Examples 1 and 2. 比較例1の高分子を適用した電荷移動度測定素子の正孔、電荷の移動度を示すグラフである。It is a graph which shows the mobility of the hole of an electric charge mobility measuring element to which the polymer of comparative example 1 is applied, and an electric charge. 実施例2の高分子を適用した電荷移動度測定素子の正孔、電荷の移動度を示すグラフである。It is a graph which shows the mobility of the hole of a charge mobility measuring element to which the polymer of Example 2 is applied, and a charge. 実施例3の高分子を適用した電荷移動度測定素子の正孔、電荷の移動度を示すグラフである。It is a graph which shows the mobility of the hole of a charge mobility measuring element to which the polymer of Example 3 is applied, and a charge. 実施例4の高分子を適用した電荷移動度測定素子の正孔、電荷の移動度を示すグラフである。It is a graph which shows the mobility of the hole of a charge mobility measuring element to which the polymer of Example 4 is applied, and a charge.

以下、本明細書について詳細に説明する。   Hereinafter, the present specification will be described in detail.

本明細書において、上記共重合体は、上記化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位を含む共重合体を提供する。   In the present specification, the copolymer provides a copolymer including the first unit of Chemical Formula 1, the second unit of Chemical Formula 2, and the third unit of Chemical Formula 3.

本明細書において、「単位」とは、共重合体に含まれる単量体に含まれる繰り返し構造であって、単量体が重合によって重合体内に結合された構造を意味する。   In the present specification, the “unit” means a repeating structure contained in a monomer contained in a copolymer and a structure in which the monomer is bonded into the polymer by polymerization.

化学式1の第1単位は、3,6−カルバゾール基を含む。前記第1単位を含む共重合体を含む有機太陽電池は、2,7−カルバゾール基を含む共重合体より電荷移動度が高く、共重合体の安定性に寄与する効果がある。   The first unit of Formula 1 includes a 3,6-carbazole group. The organic solar cell including the copolymer including the first unit has higher charge mobility than the copolymer including the 2,7-carbazole group, and has an effect of contributing to the stability of the copolymer.

図1は、3,6−カルバゾール基を含む共重合体と、2,7−カルバゾール基を含む共重合体との電荷移動度を比較したグラフである。   FIG. 1 is a graph comparing charge mobility between a copolymer containing 3,6-carbazole groups and a copolymer containing 2,7-carbazole groups.

本明細書の一実施態様において、上記化学式1の第1単位は、単量体の全体含有量中0モル%超過45モル%以下が好ましい。   In one embodiment of the present specification, the first unit of Formula 1 is preferably greater than 0 mol% and not greater than 45 mol% in the total monomer content.

もう一つの一実施態様において、0.1モル%〜30モル%以下であり、もう一つの例において、0.5モル%〜20モル%以下であり、もう一つの例において、0.5モル%〜15モル%であり、他の例において、1モル%〜10モル%以下である。   In another embodiment, 0.1 mol% to 30 mol% or less, in another example, 0.5 mol% to 20 mol% or less, and in another example, 0.5 mol% or less. % To 15 mol%, and in other examples from 1 mol% to 10 mol%.

3,6−カルバゾール基を含む共重合体は、窒素原子が主鎖のコンジュゲーションに含まれ、正孔を安定化させることができ、正孔および電荷移動度が高くなる。これにより、有機太陽電池の正孔移動度と電子移動度の均衡を取ることができ、優れた電気的特性を示すことができ、光電変換効率特性に優れた有機半導体物質とこれを含む有機太陽電池を提供する。   In the copolymer containing a 3,6-carbazole group, the nitrogen atom is included in the conjugation of the main chain, the hole can be stabilized, and the hole and charge mobility are increased. As a result, the hole mobility and the electron mobility of the organic solar cell can be balanced, an excellent electrical characteristic can be exhibited, and an organic semiconductor material having an excellent photoelectric conversion efficiency characteristic and an organic solar including the same Provide batteries.

既存の2,7−カルバゾール基のみを含む共重合体の場合、窒素原子がコンジュゲーションに含まれていないため、優れた電気的特性を基待することができなかった。   In the case of a copolymer containing only an existing 2,7-carbazole group, since a nitrogen atom is not included in the conjugation, excellent electrical characteristics cannot be expected.

ただし、化学式1を含む共重合体において、上記化学式1の第1単位の含有量が単量体の全体含有量中45モル%以下の場合、相対的に吸光度が高くないカルバゾール基の特性による、光吸収の低下を最小化することができ、適正な分子量の共重合体を製造することができる。   However, in the copolymer containing the chemical formula 1, when the content of the first unit of the chemical formula 1 is 45 mol% or less in the total content of the monomer, due to the characteristics of the carbazole group having a relatively low absorbance, A decrease in light absorption can be minimized, and a copolymer having an appropriate molecular weight can be produced.

上記置換基の例示は以下に説明するが、これに限定されるものではない。   Examples of the substituent will be described below, but the present invention is not limited thereto.

本明細書において、上記アルキル基は、直鎖または分枝鎖であり得、炭素数は特に限定されないが、1〜20であることが好ましい。具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基およびヘプチル基などがあるが、これらに限定されない。   In the present specification, the alkyl group may be linear or branched, and the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 1-20. Specific examples include, but are not limited to, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, t-butyl, pentyl, hexyl and heptyl.

本明細書において、上記アルケニル基は、直鎖または分枝鎖であり得、炭素数は特に限定されないが、2〜40であることが好ましい。具体例としては、スチルベニル基(stylbenyl)、スチレニル基(styrenyl)などのアリール基が置換されたアルケニル基が好ましいが、これらに限定されない。   In the present specification, the alkenyl group may be linear or branched, and the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 2 to 40. Specific examples include, but are not limited to, an alkenyl group substituted with an aryl group such as a stilbenyl group and a styrenyl group.

本明細書において、上記アルコキシ基は、直鎖、分枝鎖または環鎖であり得る。アルコキシ基の炭素数は特に限定されないが、炭素数1〜25であることが好ましい。具体的には、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、iso−プロピルオキシ基、n−ブチルオキシ基、シクロペンチルオキシ基などとなり得るが、これらに限定されるものではない。   In the present specification, the alkoxy group may be a straight chain, a branched chain or a ring chain. Although carbon number of an alkoxy group is not specifically limited, It is preferable that it is C1-C25. Specifically, it can be a methoxy group, an ethoxy group, an n-propyloxy group, an iso-propyloxy group, an n-butyloxy group, a cyclopentyloxy group, or the like, but is not limited thereto.

本明細書において、シクロアルキル基は特に限定されないが、炭素数3〜60であることが好ましく、特に、シクロペンチル基、シクロヘキシル基が好ましい。   In the present specification, the cycloalkyl group is not particularly limited, but preferably has 3 to 60 carbon atoms, and particularly preferably a cyclopentyl group or a cyclohexyl group.

本明細書において、ハロゲン基は、フッ素、塩素、臭素またはヨウ素となり得る。   In the present specification, the halogen group may be fluorine, chlorine, bromine or iodine.

本明細書において、アリール基は、単環式であり得、炭素数は特に限定されないが、炭素数6〜60であることが好ましい。アリール基の具体例としては、フェニル基、ビフェニル基、トリフェニル基、テルフェニル基、スチルベン基などの単環式芳香族、およびナフチル基、アントラセニル基、フェナントレニル基、ピレニル基、ペリレニル基、テトラセニル基、クリセニル基、フルオレニル基、アセナフタセニル基、トリフェニレン基、フルオランテン(fluoranthene)基などの多環式芳香族などがあるが、これらにのみ限定されるものではない。   In the present specification, the aryl group may be monocyclic, and the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 6 to 60 carbon atoms. Specific examples of the aryl group include monocyclic aromatic groups such as phenyl group, biphenyl group, triphenyl group, terphenyl group, and stilbene group, and naphthyl group, anthracenyl group, phenanthrenyl group, pyrenyl group, perylenyl group, and tetracenyl group. , Polycyclic aromatic groups such as, but not limited to, a chrysenyl group, a fluorenyl group, an acenaphthacenyl group, a triphenylene group, a fluoranthene group, and the like.

本明細書において、ヘテロ環基は、異種原子としてO、NまたはSを含むヘテロ環基であって、炭素数は特に限定されないが、炭素数2〜60であることが好ましい。ヘテロ環基の例としては、チオフェン基、フラン基、ピロール基、イミダゾール基、チアゾール基、オキサゾール基、オキサジアゾール基、トリアゾール基、ピリジル基、ビピリジル基、トリアジン基、アクリジル基、ピリダジン基、キノリニル基、イソキノリン基、インドール基、カルバゾール基、ベンズオキサゾール基、ベンズイミダゾール基、ベンズチアゾール基、ベンズカルバゾール基、ベンズチオフェン基、ジベンゾチオフェン基、ベンズフラニル基、フェナントロリン基(phenanthroline)およびジベンゾフラニル基などがあるが、これらにのみ限定されるものではない。   In the present specification, the heterocyclic group is a heterocyclic group containing O, N, or S as a hetero atom, and the number of carbons is not particularly limited, but is preferably 2 to 60 carbons. Examples of heterocyclic groups include thiophene group, furan group, pyrrole group, imidazole group, thiazole group, oxazole group, oxadiazole group, triazole group, pyridyl group, bipyridyl group, triazine group, acridyl group, pyridazine group, quinolinyl. Group, isoquinoline group, indole group, carbazole group, benzoxazole group, benzimidazole group, benzthiazole group, benzcarbazole group, benzothiophene group, dibenzothiophene group, benzfuranyl group, phenanthroline group and dibenzofuranyl group However, it is not limited to these.

本明細書において、イミド基の炭素数は特に限定されないが、炭素数1〜25であることが好ましい。具体的には、下記のような構造の化合物となり得るが、これに限定されるものではない。
In this specification, the carbon number of the imide group is not particularly limited, but is preferably 1 to 25 carbon atoms. Specifically, it can be a compound having the following structure, but is not limited thereto.

本明細書において、アミド基は、アミド基の窒素が水素、炭素数1〜25の直鎖、分枝鎖または環鎖アルキル基、または炭素数6〜25のアリール基で1または2置換され得る。具体的には、下記構造式の化合物となり得るが、これに限定されるものではない。
In the present specification, the amide group may be substituted 1 or 2 with nitrogen of the amide group with hydrogen, a linear, branched or cyclic alkyl group having 1 to 25 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 25 carbon atoms. . Specifically, it can be a compound having the following structural formula, but is not limited thereto.

本明細書において、エステル基は、エステル基の酸素が炭素数1〜25の直鎖、分枝鎖または環鎖アルキル基、または炭素数6〜25のアリール基で置換され得る。具体的には、下記構造式の化合物となり得るが、これに限定されるものではない。
In the present specification, the ester group may be substituted with a C 1-25 linear, branched or cyclic alkyl group, or a C 6-25 aryl group in which the oxygen of the ester group is oxygen. Specifically, it can be a compound having the following structural formula, but is not limited thereto.

本明細書において、ヘテロアリール基は、上述したヘテロ環基の例示から選択できる。   In the present specification, the heteroaryl group can be selected from the examples of the heterocyclic group described above.

本明細書において、フルオレニル基は、2個の環有機化合物が1個の原子を介して連結された構造であって、例としては、
などがある。
In the present specification, a fluorenyl group is a structure in which two ring organic compounds are linked via one atom, and examples thereof include:
and so on.

本明細書において、フルオレニル基は、開フルオレニル基の構造を含み、ここで、開フルオレニル基は、2個の環化合物が1個の原子を介して連結された構造で一方の環化合物の連結が切れた状態の構造であって、例としては、
などがある。
In the present specification, the fluorenyl group includes a structure of an open fluorenyl group, wherein the open fluorenyl group is a structure in which two ring compounds are connected via one atom, and one ring compound is connected to each other. A cut-out structure, for example
and so on.

本明細書において、アミン基は、炭素数は特に限定されないが、1〜30であることが好ましい。アミン基の具体例としては、メチルアミン基、ジメチルアミン基、エチルアミン基、ジエチルアミン基、フェニルアミン基、ナフチルアミン基、ビフェニルアミン基、アントラセニルアミン基、9−メチル−アントラセニルアミン基、ジフェニルアミン基、フェニルナフチルアミン基、ジトリルアミン基、フェニルトリルアミン基、トリフェニルアミン基などがあるが、これらにのみ限定されるものではない。   In this specification, the number of carbon atoms of the amine group is not particularly limited, but is preferably 1-30. Specific examples of the amine group include methylamine group, dimethylamine group, ethylamine group, diethylamine group, phenylamine group, naphthylamine group, biphenylamine group, anthracenylamine group, 9-methyl-anthracenylamine group, diphenylamine group, Examples include, but are not limited to, a phenyl naphthylamine group, a ditolylamine group, a phenyltolylamine group, and a triphenylamine group.

本明細書において、アリールアミン基の例としては、置換もしくは非置換の単環式のジアリールアミン基、置換もしくは非置換の多環式のジアリールアミン基、または置換もしくは非置換の単環式および多環式のジアリールアミン基を意味する。   In this specification, examples of the arylamine group include a substituted or unsubstituted monocyclic diarylamine group, a substituted or unsubstituted polycyclic diarylamine group, or a substituted or unsubstituted monocyclic and polycyclic group. Means a cyclic diarylamine group;

本明細書において、アリールオキシ基、アリールチオキシ基、アリールスルホキシ基およびアラルキルアミン基中のアリール基は、上述したアリール基の例示のとおりである。   In the present specification, the aryl group in the aryloxy group, arylthioxy group, arylsulfoxy group and aralkylamine group is as exemplified for the aryl group described above.

本明細書において、アルキルチオキシ基、アルキルスルホキシ基、アルキルアミン基およびアラルキルアミン基中のアルキル基は、上述したアルキル基の例示のとおりである。   In this specification, the alkyl group in the alkylthioxy group, the alkylsulfoxy group, the alkylamine group, and the aralkylamine group is as exemplified for the alkyl group described above.

本明細書において、ヘテロアリールアミン基中のヘテロアリール基は、上述したヘテロ環基の例示から選択できる。   In the present specification, the heteroaryl group in the heteroarylamine group can be selected from the examples of the heterocyclic group described above.

本明細書において、アリーレン基、アルケニレン基、フルオレニレン基、カルバゾリレン基およびヘテロアリーレン基は、それぞれアリール基、アルケニル基、フルオレニル基、カルバゾール基の2価基である。これらは、それぞれ2価基であることを除けば、上述したアリール基、アルケニル基、フルオレニル基、カルバゾール基の説明が適用可能である。   In the present specification, an arylene group, an alkenylene group, a fluorenylene group, a carbazolylene group, and a heteroarylene group are divalent groups of an aryl group, an alkenyl group, a fluorenyl group, and a carbazole group, respectively. Except for these being each a divalent group, the description of the aryl group, alkenyl group, fluorenyl group, and carbazole group described above is applicable.

また、本明細書において、「置換もしくは非置換の」という用語は、重水素;ハロゲン基;アルキル基;アルケニル基;アルコキシ基;シクロアルキル基;シリル基;アリールアルケニル基;アリール基;アリールオキシ基;アルキルチオキシ基;アルキルスルホキシ基;アリールスルホキシ基;ホウ素基;アルキルアミン基;アラルキルアミン基;アリールアミン基;ヘテロアリール基;カルバゾール基;アリールアミン基;アリール基;フルオレニル基;ニトリル基;ニトロ基;ヒドロキシ基、およびN、O、S原子のうちの1個以上を含むヘテロ環基からなる群より選択された1個以上の置換基で置換されたか、またはいずれの置換基も有さないことを意味する。   In this specification, the term “substituted or unsubstituted” refers to deuterium, halogen group, alkyl group, alkenyl group, alkoxy group, cycloalkyl group, silyl group, arylalkenyl group, aryl group, aryloxy group. Alkylthioxy group, alkylsulfoxy group, arylsulfoxy group, boron group, alkylamine group, aralkylamine group, arylamine group, heteroaryl group, carbazole group, arylamine group, aryl group, fluorenyl group, nitrile group; A nitro group; substituted with one or more substituents selected from the group consisting of a hydroxy group and a heterocyclic group containing one or more of N, O, S atoms, or any substituents Means no.

本明細書の一実施態様において、前記共重合体は、下記化学式4で表されるものを含む共重合体を提供する。
In one embodiment of the present specification, the copolymer includes a copolymer represented by the following chemical formula 4.

化学式4において、
lは、モル分率であって、0<l≦<1の実数で、
mは、モル分率であって、0≦m<1の実数で、l+m=1であり、
nは、1〜10,000の整数であり、
Aは、上記化学式1であり、
B、C、Dは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、化学式2または3であり、
B、C、Dのうちの少なくとも1つは、化学式3である。
In Formula 4,
l is the mole fraction, a real number 0 <l ≦ <1,
m is a mole fraction, a real number of 0 ≦ m <1, and l + m = 1.
n is an integer from 1 to 10,000;
A is Formula 1 above,
B, C, and D are the same or different from each other, and each independently have the chemical formula 2 or 3,
At least one of B, C, and D is Formula 3.

本明細書の一実施態様において、上記化学式4のAは、化学式1であり、Bは、化学式3である。   In one embodiment of the present specification, A in Formula 4 is Formula 1 and B is Formula 3.

もう一つの実施態様において、上記化学式4のCは、化学式2である。   In another embodiment, C in Formula 4 is Formula 2.

もう一つの実施態様において、上記化学式4のDは、化学式3である。   In another embodiment, D in Formula 4 is Formula 3.

本明細書の一実施態様において、上記化学式4のBおよびDは、化学式3であり、前記Cは、化学式2である共重合体を提供する。   In one embodiment of the present specification, B and D of Formula 4 above are the Formula 3, and C provides the copolymer of Formula 2.

本明細書の一実施態様において、前記共重合体は、下記化学式5で表されるものを含む共重合体を提供する。
In one embodiment of the present specification, the copolymer provides a copolymer including the compound represented by the following Chemical Formula 5.

上記化学式5において、R〜RおよびR〜R、o、p、q、r、s、tは、化学式1〜3で定義したとおりであり、
前記1は、モル分率であって、0<l≦<1の実数で、mは、モル分率であって、0≦m<1の実数で、l+m=1であり、nは、1〜10,000の整数である。
In the chemical formula 5, R a to R d and R 1 to R 7 , o, p, q, r, s, and t are as defined in the chemical formulas 1 to 3,
1 is a mole fraction, which is a real number of 0 <l ≦ <1, m is a mole fraction, 0 ≦ m <1, a real number of l + m = 1, and n is 1 It is an integer of 10,000.

本明細書の一実施態様において、RおよびRは、水素である。 In one embodiment of the present specification, R a and R b are hydrogen.

もう一つの実施態様において、RおよびRは、水素である。 In another embodiment, R c and R d are hydrogen.

もう一つの実施態様において、sは、1である。   In another embodiment, s is 1.

もう一つの実施態様において、tは、1である。   In another embodiment, t is 1.

もう一つの実施態様において、Rは、水素である。 In another embodiment, R 4 is hydrogen.

もう一つの実施態様において、Rは、水素である。 In another embodiment, R 5 is hydrogen.

もう一つの実施態様において、Rは、水素である。 In another embodiment, R 6 is hydrogen.

もう一つの実施態様において、Rは、水素である。 In another embodiment, R 7 is hydrogen.

本明細書の一実施態様において、前記共重合体は、下記化学式6の第4単位および化学式7の第5単位を含むものである共重合体を提供する。
In one embodiment of the present specification, the copolymer includes a fourth unit represented by the following chemical formula 6 and a fifth unit represented by the following chemical formula 7.

化学式6および7において、
は、化学式1で定義したとおりであり、
およびRは、化学式2で定義したとおりであり、
lは、モル分率であって、0<l≦<1の実数で、
mは、モル分率であって、0≦m<1の実数で、l+m=1である。
In Chemical Formulas 6 and 7,
R 1 is as defined in Chemical Formula 1,
R 2 and R 3 are as defined in Chemical Formula 2,
l is the mole fraction, a real number 0 <l ≦ <1,
m is a mole fraction, and is a real number of 0 ≦ m <1, and l + m = 1.

本明細書の一実施態様において、前記共重合体の末端基としては、水素;重水素;ハロゲン基;ニトリル基;ニトロ基;イミド基;アミド基;ヒドロキシ基;置換もしくは非置換のアルキル基;置換もしくは非置換のシクロアルキル基;置換もしくは非置換のアルコキシ基;置換もしくは非置換のアリールオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルチオキシ基;置換もしくは非置換のアリールチオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルスルホキシ基;置換もしくは非置換のアリールスルホキシ基;置換もしくは非置換のアルケニル基;置換もしくは非置換のシリル基;置換もしくは非置換のホウ素基;置換もしくは非置換のアルキルアミン基;置換もしくは非置換のアラルキルアミン基;置換もしくは非置換のアリールアミン基;置換もしくは非置換のヘテロアリールアミン基;置換もしくは非置換のアリール基;置換もしくは非置換のフルオレニル基;置換もしくは非置換のカルバゾール基;およびN、O、S原子のうちの1個以上を含む置換もしくは非置換のヘテロ環基からなる群より選択される。   In one embodiment of the present specification, the terminal group of the copolymer includes hydrogen, deuterium, halogen group, nitrile group, nitro group, imide group, amide group, hydroxy group, substituted or unsubstituted alkyl group; Substituted or unsubstituted cycloalkyl group; substituted or unsubstituted alkoxy group; substituted or unsubstituted aryloxy group; substituted or unsubstituted alkylthioxy group; substituted or unsubstituted arylthioxy group; substituted or unsubstituted Substituted or unsubstituted arylsulfoxy group; substituted or unsubstituted alkenyl group; substituted or unsubstituted silyl group; substituted or unsubstituted boron group; substituted or unsubstituted alkylamine group; Unsubstituted aralkylamine group; substituted or unsubstituted arylamine group; Is an unsubstituted heteroarylamine group; a substituted or unsubstituted aryl group; a substituted or unsubstituted fluorenyl group; a substituted or unsubstituted carbazole group; and a substituted or unsubstituted group containing one or more of N, O, and S atoms Selected from the group consisting of unsubstituted heterocyclic groups.

本明細書の一実施態様において、前記共重合体の末端基は、ヘテロ環基である。   In one embodiment of the present specification, the terminal group of the copolymer is a heterocyclic group.

本明細書の一実施態様において、前記共重合体の末端基は、アリール基である。   In one embodiment of the present specification, the terminal group of the copolymer is an aryl group.

本明細書の一実施態様によれば、前記共重合体の数平均分子量は、500〜1,000,000g/molが好ましい。好ましくは、前記共重合体の数平均分子量は、10,000〜100,000が好ましい。   According to one embodiment of the present specification, the number average molecular weight of the copolymer is preferably 500 to 1,000,000 g / mol. The number average molecular weight of the copolymer is preferably 10,000 to 100,000.

本明細書の一実施態様によれば、前記共重合体は、1〜100の分子量分布を有することができる。好ましくは、前記共重合体は、1〜3の分子量分布を有する。   According to one embodiment of the present specification, the copolymer may have a molecular weight distribution of 1 to 100. Preferably, the copolymer has a molecular weight distribution of 1 to 3.

分子量分布は低いほど、数平均分子量が大きくなるほど、電気的特性と機械的特性がより良好になる。   The lower the molecular weight distribution and the higher the number average molecular weight, the better the electrical and mechanical properties.

また、一定以上の溶解度を有して溶液塗布法の適用を有利にするために、数平均分子量は、100,000以下であることが好ましい。   Moreover, in order to make the application of the solution coating method advantageous with a certain degree of solubility, the number average molecular weight is preferably 100,000 or less.

上記化学式1を含む共重合体は、後述する製造例に基づいて製造できる。   The copolymer containing the above chemical formula 1 can be produced based on the production examples described later.

本明細書にかかる共重合体は、多段階化学反応で製造することができる。アルキル化反応、グリニャール(Grignard)反応、鈴木(Suzuki)カップリング反応およびスティル(Stille)カップリング反応などを通じてモノマーを製造した後、スティルカップリング反応などの炭素−炭素カップリング反応を通じて最終高分子を製造することができる。導入しようとする置換基がボロン酸(boronic acid)またはボロン酸エステル(boronic ester)化合物の場合には、鈴木カップリング反応を通じて製造することができ、導入しようとする置換基がトリブチルチン(tributyltin)化合物の場合には、スティルカップリング反応を通じて製造することができるが、これに限定されるものではない。   The copolymer according to the present specification can be produced by a multistage chemical reaction. Monomers are prepared through an alkylation reaction, a Grignard reaction, a Suzuki coupling reaction and a Stille coupling reaction, and then the final polymer is formed through a carbon-carbon coupling reaction such as a Stille coupling reaction. Can be manufactured. When the substituent to be introduced is a boronic acid or boronic ester compound, it can be produced through a Suzuki coupling reaction, and the substituent to be introduced is tributyltin. In the case of a compound, it can be produced through a Still coupling reaction, but is not limited thereto.

また、本明細書は、上記化学式1、化学式2および化学式3を含む共重合体を用いる有機太陽電池を提供する。   In addition, the present specification provides an organic solar cell using a copolymer including the above Chemical Formula 1, Chemical Formula 2, and Chemical Formula 3.

本明細書は、第1電極;第1電極に対向する第2電極;および前記第1電極と第2電極との間に備えられ、光活性層を含む1層以上の有機物層を含み、前記有機物層のうちの1層以上は、上述した共重合体を含むものである有機太陽電池を提供する。   The present specification includes a first electrode; a second electrode opposed to the first electrode; and one or more organic layers including a photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode, One or more of the organic layers provide an organic solar battery that includes the above-described copolymer.

本明細書の一実施態様にかかる有機太陽電池は、第1電極、光活性層および第2電極を含む。前記有機太陽電池は、基板、正孔輸送層および/または電子輸送層がさらに含まれ得る。   The organic solar cell according to one embodiment of the present specification includes a first electrode, a photoactive layer, and a second electrode. The organic solar cell may further include a substrate, a hole transport layer, and / or an electron transport layer.

前記基板は、透明性、表面平滑性、取り扱いの容易性および防水性に優れたガラス基板または透明プラスチック基板となり得るが、これらに限定されず、有機太陽電池に通常使用される基板であれば限定はない。具体的には、ガラスまたはPET(polyethylene terphthalate)、PEN(polyethylene naphthelate)、PP(polypropylene)、PI(polyimide)、TAC(triacetyl cellulose)などがあるが、これらに限定されるものではない。   The substrate can be a glass substrate or a transparent plastic substrate excellent in transparency, surface smoothness, ease of handling and waterproofness, but is not limited thereto, and is limited as long as it is a substrate usually used for organic solar cells. There is no. Specific examples include glass, PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthaleate), PP (polypropylene), PI (polyimide), and TAC (triacetyl cell), but are not limited thereto.

前記第1電極は、透明で導電性に優れた物質となり得るが、これに限定されない。具体的には、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化スズ(SnO)および酸化亜鉛(ZnO)となり得るが、これらに限定されるものではない。 The first electrode may be a transparent material having excellent conductivity, but is not limited thereto. Specifically, it can be indium tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), and zinc oxide (ZnO), but is not limited thereto.

前記第2電極は、仕事関数が小さい金属となり得るが、これに限定されない。具体的には、リチウム、マグネシウム、アルミニウムのような金属、またはこれらの合金、Al:Li、Al:BaF、Al:BaF:Baのような多層構造の物質となり得るが、これらに限定されるものではない。 The second electrode may be a metal having a small work function, but is not limited thereto. Specifically, a metal such as lithium, magnesium, and aluminum, or an alloy thereof, Al: Li, Al: BaF 2 , Al: BaF 2 : Ba can be a multi-layered material, but is not limited thereto. It is not something.

前記正孔輸送層および/または電子輸送層物質は、電子と正孔を光活性層に効率的に伝達させることにより、生成される電荷が電極に移動する確率を高める物質となり得るが、特に限定はない。   The hole transport layer and / or electron transport layer material may be a material that increases the probability that the generated charges move to the electrode by efficiently transferring electrons and holes to the photoactive layer, but is particularly limited. There is no.

前記正孔輸送層物質は、PEDOT:PSS(Poly(3,4−ethylenediocythiophene)doped with poly(styrenesulfonic acid))、N,N'−ビス(3−メチルフェニル)−N,N'−ジフェニル−[1,1'−ビフェニル]−4,4'−ジアミン(TPD)となり得る。前記電子輸送層物質は、アルミニウムトリヒドロキシキノリ(Alq)、1,3,4−オキサジアゾール誘導体のPBD(2−(4−bipheyl)−5−phenyl−1,3,4−oxadiazole)、キノキサリン誘導体のTPQ(1,3,4−tris[(3−phenyl−6−trifluoromethyl)qunoxaline−2−yl]benzene)およびトリアゾール誘導体などとなり得る。 The hole transport layer material is PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenediothiophene) doped with poly (styrenesulfonic acid)), N, N′-bis (3-methylphenyl) -N, N′-diphenyl- [ 1,1′-biphenyl] -4,4′-diamine (TPD). The electron transport layer material is aluminum trihydroxyquinolyl (Alq 3 ), a PBD of a 1,3,4-oxadiazole derivative (2- (4-biphenyl) -5-phenyl-1,3,4-oxadiazole). Quinoxaline derivative TPQ (1,3,4-tris [(3-phenyl-6-trifluoromethyl) quinoxaline-2-yl] benzene), triazole derivative, and the like.

前記光活性層は、電子供与体物質および電子受容体物質を含むことができる。   The photoactive layer can include an electron donor material and an electron acceptor material.

本明細書の一実施態様において、前記電子供与体物質は、上記化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位を含む共重合体である。   In one embodiment of the present specification, the electron donor material is a copolymer including the first unit of Formula 1, the second unit of Formula 2, and the third unit of Formula 3.

本明細書の一実施態様において、前記電子受容体物質は、フラーレン、フラーレン誘導体、バソクプロイン、半導体性元素、半導体性化合物およびこれらの組合せとなり得、具体的には、PC61BM(phenyl C61−butyric acid methyl ester)またはPC71BM(phenyl C71−butyric acid methyl ester)となり得る。 In one embodiment of the present specification, the electron acceptor substance may be fullerene, a fullerene derivative, bathocuproine, a semiconducting element, a semiconducting compound, and a combination thereof, specifically, PC 61 BM (phenyl C 61 − butyric acid methyl ester) or may be a PC 71 BM (phenyl C 71 -butyric acid methyl ester).

前記光活性層は、電子供与体物質および電子受容体物質がバルクヘテロジャンクション(BHJ)を形成することができる。電子供与体物質および電子受容体物質は、1:10〜10:1の割合(w/w)で混合可能であり、混合後、特性を最大化させるために、30〜300℃で1秒〜24時間アニーリングすることができる。   In the photoactive layer, the electron donor material and the electron acceptor material may form a bulk heterojunction (BHJ). The electron donor material and the electron acceptor material can be mixed at a ratio of 1:10 to 10: 1 (w / w), and after mixing, at 30 to 300 ° C. for 1 second to maximize the characteristics. Can be annealed for 24 hours.

前記光活性層の厚さは、10〜10,000Åとなり得るが、これに限定されるものではない。   The photoactive layer may have a thickness of 10 to 10,000 mm, but is not limited thereto.

また、本明細書の一実施態様において、前記光活性層と第1電極との間には、バッファ層がさらに導入され得、光活性層と第2電極との間には、電子伝達層、正孔阻止層またはオプティカルスペース(optical space)層がさらに導入される。   In one embodiment of the present specification, a buffer layer may be further introduced between the photoactive layer and the first electrode, and an electron transfer layer between the photoactive layer and the second electrode, A hole blocking layer or an optical space layer is further introduced.

本明細書において、参照文献として導入される大韓民国特許公開公報第10−2010−0111767号のように、好ましい一実施において、前記有機太陽電池は、基板、第1電極、光活性層および第2電極を含み、前記光活性層に上記化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位を含む共重合体は、電子供与体として使用され、C60フラーレン誘導体またはC70フラーレン誘導体が電子受容体として配合される。   In the present specification, as described in Korean Patent Publication No. 10-2010-0111767, which is introduced as a reference, the organic solar cell includes a substrate, a first electrode, a photoactive layer, and a second electrode. And a copolymer containing the first unit of Formula 1, the second unit of Formula 2, and the third unit of Formula 3 in the photoactive layer is used as an electron donor, and is a C60 fullerene derivative or a C70 fullerene derivative. Is formulated as an electron acceptor.

本明細書の一実施態様において、前記光活性層の光電変換物質は、化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位を含む共重合体と電子受容体との混合割合が1:0.5〜1:4の重量比で配合される。   In one embodiment of the present specification, the photoelectric conversion material of the photoactive layer includes a copolymer including a first unit of Formula 1, a second unit of Formula 2, a third unit of Formula 3, and an electron acceptor. The mixing ratio is blended at a weight ratio of 1: 0.5 to 1: 4.

本明細書の一実施態様において、前記光活性層の光電変換物質は、化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位を含む共重合体とC60フラーレン誘導体またはC70フラーレン誘導体との混合割合が1:0.5〜1:4の重量比で配合される。   In one embodiment of the present specification, the photoelectric conversion material of the photoactive layer includes a copolymer including a first unit of Formula 1, a second unit of Formula 2, a third unit of Formula 3, and a C60 fullerene derivative or C70. The mixing ratio with the fullerene derivative is blended at a weight ratio of 1: 0.5 to 1: 4.

この時、本明細書の化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位を含む共重合体に比べて、前記フラーレン誘導体が0.5重量比未満で配合されると、結晶化されたフラーレン誘導体の含有量が不足して生成された電子の移動に障害が発生し、4重量比を超えると、光を吸収する化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位を含む共重合体の量が相対的に減少して光の効率的な吸収がなされず好ましくない。   At this time, the fullerene derivative is blended in less than 0.5 weight ratio as compared with the copolymer including the first unit of Chemical Formula 1, the second unit of Chemical Formula 2, and the third unit of Chemical Formula 3. When the content of the crystallized fullerene derivative is insufficient, the movement of the generated electrons is obstructed, and when the weight ratio exceeds 4%, the first unit of Formula 1 that absorbs light, the second unit of Formula 2 The amount of the copolymer containing the unit and the third unit of the chemical formula 3 is relatively unfavorably decreased because the light is not efficiently absorbed.

本明細書の一実施態様において、前記有機太陽電池は、アノード電極、光活性層およびカソード電極の順に配列されてもよく、カソード電極、光活性層およびアノード電極の順に配列されてもよいが、これに限定されない。   In one embodiment of the present specification, the organic solar cell may be arranged in the order of the anode electrode, the photoactive layer and the cathode electrode, or may be arranged in the order of the cathode electrode, the photoactive layer and the anode electrode, It is not limited to this.

もう一つの実施態様において、前記有機太陽電池は、アノード電極、正孔輸送層、光活性層、電子輸送層およびカソード電極の順に配列されてもよく、カソード電極、電子輸送層、光活性層、正孔輸送層およびアノード電極の順に配列されてもよいが、これに限定されない。   In another embodiment, the organic solar cell may be arranged in the order of an anode electrode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a cathode electrode. The cathode electrode, the electron transport layer, the photoactive layer, The hole transport layer and the anode electrode may be arranged in this order, but are not limited thereto.

本明細書の有機太陽電池は、有機物層が本明細書の共重合体を含むことを除けば、当技術分野において公知の材料と方法で製造できる。   The organic solar cell of this specification can be manufactured with a material and a method well-known in this technical field except that an organic substance layer contains the copolymer of this specification.

本明細書の他の実施態様にかかる有機太陽電池の製造方法は、基板を準備するステップと、前記基板の背面の一領域に第1電極を形成するステップと、前記第1電極上に、上述した共重合体を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上に第2電極を形成するステップとを含む。   An organic solar cell manufacturing method according to another embodiment of the present specification includes a step of preparing a substrate, a step of forming a first electrode in a region of a back surface of the substrate, and the above-described step on the first electrode. Forming an organic material layer containing the copolymer and forming a second electrode on the organic material layer.

本明細書の有機太陽電池は、例えば、基板上に第1電極、有機物層および第2電極を順次に積層させることによって製造することができる。この時、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーンプリンティング、インクジェット、スピンコーティング、スプレーコーティングなどの湿式法でコーティングできるが、これらの方法にのみ限定されるものではない。   The organic solar cell of this specification can be manufactured by laminating | stacking a 1st electrode, an organic substance layer, and a 2nd electrode sequentially on a board | substrate, for example. At this time, it can be coated by a wet method such as gravure printing, offset printing, screen printing, ink jet, spin coating, spray coating, etc., but is not limited to these methods.

前記共重合体を含む有機太陽電池において、上記化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位を含む共重合体は、電子供与体として使用可能である。   In the organic solar cell including the copolymer, the copolymer including the first unit of Chemical Formula 1, the second unit of Chemical Formula 2, and the third unit of Chemical Formula 3 can be used as an electron donor.

上記化学式1の第1単位、化学式2の第2単位、化学式3の第3単位の製造方法およびこれらを用いた有機太陽電池の製造は、以下の実施例で具体的に説明する。しかし、下記の実施例は、本発明を例示するためのものであって、本発明の範囲がこれらによって限定されるものではない。   The production method of the first unit of the chemical formula 1, the second unit of the chemical formula 2, the third unit of the chemical formula 3 and the production of the organic solar cell using them will be specifically described in the following examples. However, the following examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[実施例1.モノマーの合成]
{実施例A.N−9'−ヘプタデカニル−3,6−ジブロモカルバゾール(N−9'−Heptadecanyl−3,6−dibromocarbazole)の製造}
[Example 1. Monomer synthesis]
{Example A. Production of N-9′-heptadecanyl-3,6-dibromocarbazole (N-9′-Heptadecanyl-3,6-dibromocarbazole)}

本実施例において、9−ヘプタデカンp−トルエンスルホネート(9−heptadecane p−toluenesulfonate)は、前の文献を参照して製造した(B.Nicolas、M.Alexandre、M.Leclerc、Adv.Mater.19、2295−2300)。   In this example, 9-heptadecane p-toluenesulfonate was prepared with reference to previous literature (B. Nicolas, M. Alexander, M. Leclerc, Adv. Mater. 19, 2295-2300).

30mlの無水ジメチルスルホキシド(Dimethylsulfoxide)に、3,6−ジブロモ−9H−カルバゾール(3,6−Dibromo−9H−carbazole、4.00g、12.3mmol)と、カリウムヒドロキシド(potassium hydroxide、6.90g、123mmol)とを入れ、1時間撹拌後、9−ヘプタデカンp−トルエンスルホネート(9−heptadecane p−toluenesulfonate)、7.58g、18.5mmol)を入れ、12時間撹拌した。   To 30 ml of anhydrous dimethyl sulfoxide, 3,6-dibromo-9H-carbazole (3,6-Dibromo-9H-carbazole, 4.00 g, 12.3 mmol) and potassium hydroxide, 6.90 g 123 mmol), and after stirring for 1 hour, 9-heptadecane p-toluenesulfonate (7.58 g, 18.5 mmol) was added and stirred for 12 hours.

混合物を室温まで冷却してヘキサン(hexane)/エチルアセテート(ethyl acetate)(3:1v/v)で抽出し、水で洗った後、硫酸マグネシウム(MgSO)で溶液中に残留する水分を除去した。溶媒を減圧下に除去し、残りの余液をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(silica gel columnchromatography)で精製し、白い固体を得た。
収率:86%
1H NMR : (300 MHz, CDCl3, ppm) : δ 8.16 (br, 2H); 7.48 (br, 4H); 4.47 (br, 1H); 2.23 (br, 2H); 1.90 (br, 2H); 1.11 (br, 24H); 0.83 (t, J=7.1 Hz, 6H)
13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 129.39; 128.93; 123.73; 123.40; 113.42; 110.94; 57.23; 34.03; 32.13; 29.68; 29.66; 29.50; 27.02; 22.99; 14.47
m.p : 53.6〜55.7℃
HRMS(EI、m/z)[M]計算値C2941BrN561.1606、実験値561.1608
The mixture was cooled to room temperature, extracted with hexane / ethyl acetate (3: 1 v / v), washed with water, and then water remaining in the solution was removed with magnesium sulfate (MgSO 4 ). did. The solvent was removed under reduced pressure, and the remaining residue was purified by silica gel column chromatography to obtain a white solid.
Yield: 86%
1H NMR: (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 8.16 (br, 2H); 7.48 (br, 4H); 4.47 (br, 1H); 2.23 (br, 2H); 1.90 (br, 2H); 1.11 ( br, 24H); 0.83 (t, J = 7.1 Hz, 6H)
13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 129.39; 128.93; 123.73; 123.40; 113.42; 110.94; 57.23; 34.03; 32.13; 29.68; 29.66; 29.50; 27.02; 22.99; 14.47
mp: 53.6-55.7 ° C
HRMS (EI + , m / z) [M] + calculated value C 29 H 41 Br 2 N561.1606, experimental value 561.1608

{実施例B.3,6−ビス(4',4',5',5'−テトラメチル−1',3',2'−ジオキサボロラン−2'−イル)−N−9'−ヘプタデカニルカルバゾール(3,6−Bis(4',4',5',5'−tetramethyl−1',3',2'−dioxaborolan−2'−yl)−N−9'−heptadecanylcarbazole)の製造}
{Example B. 3,6-bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxaborolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanylcarbazole (3,3 Production of 6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxabolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanylcarbazole)}

無水テトラヒドロフラン(Anhydrous tetrahydrofuran)30mlに、N−9'−ヘプタデカニル−3,6−ジブロモカルバゾール(N−9'−Heptadecanyl−3,6−dibromocarbazole、4.00g、7.10mmol)を入れて溶かした後、温度を−78℃まで低下させ、ヘキサンに溶かした1.7Mのn−ブチルリチウム(1.7M n−Butyllithium solution in hexane、17.5ml、29.8mmol)を入れた。1時間撹拌後、2−イソプロポキシ−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン(2−isopropoxy−4,4,5,5−tetramethyl−1,3,2−dioxaborolane、5.28g、28.4mmol)を一度に入れ、温度を常温に上昇させた後、12時間撹拌した。   After dissolving N-9′-heptadecanyl-3,6-dibromocarbazole (N-9′-Heptadecanyl-3,6-dibromocarbazole, 4.00 g, 7.10 mmol) in 30 ml of anhydrous tetrahydrofuran (Anhydrous tetrahydrofuran) The temperature was lowered to −78 ° C., and 1.7 M n-butyllithium (1.7 M n-Butyllithium solution in hexane, 17.5 ml, 29.8 mmol) dissolved in hexane was added. After stirring for 1 hour, 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxabololane) 5.28 g, 28.4 mmol) was added at once, and the temperature was raised to room temperature, followed by stirring for 12 hours.

混合物に水を入れて反応を終了させ、ジエチルエーテル(diethyl ether)で抽出し、水で洗った後、硫酸マグネシウム(MgSO)で溶液中に残留する水分を除去した。溶媒を減圧下に除去し、残りの余液をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(silica gel columnchromatography)で精製し、白い固体を得た。
収率:57%
1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm) : δ 8.68 (br, 2H); 7.87 (br, 2H); 7.56 (br, 1H); 7.39 (br, 1H); 4.58 (br, 1H); 2.29 (br, 2H); 1.90 (br, 2H); 1.39 (br, 24H); 1.13 (br, 24H); 0.81 (t, J=6.8 Hz, 6H)
13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 144.61; 141.20; 132.08; 128.40; 124.25; 122.85; 111.39; 108.66; 83.90; 56.94; 34.10; 32.14; 29.68; 27.10; 25.36; 22.99; 14.47
m.p : 147.8〜149.2℃
HRMS(EI、m/z)[M]計算値C2941BrN567.5100、実験値567.5103
Water was added to the mixture to complete the reaction, and the mixture was extracted with diethyl ether, washed with water, and then water remaining in the solution was removed with magnesium sulfate (MgSO 4 ). The solvent was removed under reduced pressure, and the remaining residue was purified by silica gel column chromatography to obtain a white solid.
Yield: 57%
1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 8.68 (br, 2H); 7.87 (br, 2H); 7.56 (br, 1H); 7.39 (br, 1H); 4.58 (br, 1H); 2.29 (br , 2H); 1.90 (br, 2H); 1.39 (br, 24H); 1.13 (br, 24H); 0.81 (t, J = 6.8 Hz, 6H)
13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 144.61; 141.20; 132.08; 128.40; 124.25; 122.85; 111.39; 108.66; 83.90; 56.94; 34.10; 32.14; 29.68; 27.10; 25.36; 22.99; 14.47
mp: 147.8-149.2 ° C
HRMS (EI + , m / z) [M] + calculated value C 29 H 41 Br 2 N 567.5100, experimental value 567.5103

[実施例2.共重合体1の合成]
トルエン3mlに、3,6−ビス(4',4',5',5'−テトラメチル−1',3',2'−ジオキサボロラン−2'−イル)−N−9'−ヘプタデカニルカルバゾール(3,6−Bis(4',4',5',5'−tetramethyl−1',3',2'−dioxaborolan−2'−yl)−N−9'−heptadecanylcarbazole、4.1mg、0.006mmol)と、2,7−ビス(4',4',5',5'−テトラメチル−1',3',2'−ジオキサボロラン−2−イル)−9,9−ジオクチルフルオレン(2,7−Bis(4',4',5',5'−tetramethyl−1',3',2'−dioxaborolan−2'−yl)−9,9−dioctylfluorene、197mg、0.306mmol)と、4,7−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(4,7−bis−(5−bromo−2−thienyl)−2,1,3−benzothiadiazole、143mg、0.312mmol)と、20%のテトラエチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(aq.20%tetraethylammonium hydroxide solution、3ml)と、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム0(tetrakis(triphenylphosphine)palladium0、5mg)と、Aliquat336とを入れ、還流下に撹拌した。72時間後、フェニルボロン酸(phenylboronic acid、0.05g)を入れ、3時間反応させた後、ブロモベンゼン(bromobenzene、0.12g)を入れ、4時間さらに反応させた。混合物を室温まで冷却してメタノールに注いだ後、固体をろ過し、アセトン、ヘキサン、クロロホルムにソックスレー抽出をした後、再びメタノールに沈澱させ、固体をろ過した。
収率:61%
数平均分子量:11,400g/mol
重量平均分子量:42,900g/mol
[Example 2. Synthesis of Copolymer 1]
3,6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxaborolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanyl in 3 ml of toluene Carbazole (3,6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxabolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanylcarbazole, 4.1 mg, 0.006 mmol) and 2,7-bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxaborolan-2-yl) -9,9-dioctylfluorene ( 2,7-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxabolan-2′-yl) -9,9-dioctylfluorene, 197 mg, 0.306 mmol) 4,7-bis 5-bromo-2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole (4,7-bis- (5-bromo-2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole, 143 mg, 0.312 mmol); A 20% tetraethylammonium hydroxide aqueous solution (aq. 20% tetraethylammonium hydroxide solution, 3 ml), tetrakis (triphenylphosphine) palladium 0 (tetrakis (triphenylphosphine) paladium 0, 5 mg), and Aliquat 336 were stirred under reflux. . After 72 hours, phenylboronic acid (0.05 g) was added and reacted for 3 hours, and then bromobenzene (bromobenzene, 0.12 g) was added and further reacted for 4 hours. The mixture was cooled to room temperature and poured into methanol, and then the solid was filtered. After Soxhlet extraction into acetone, hexane, and chloroform, the solid was precipitated again, and the solid was filtered.
Yield: 61%
Number average molecular weight: 11,400 g / mol
Weight average molecular weight: 42,900 g / mol

[実施例3.共重合体2の合成]
トルエン3mlに、3,6−ビス(4',4',5',5'−テトラメチル−1',3',2'−ジオキサボロラン−2'−イル)−N−9'−ヘプタデカニルカルバゾール(3,6−Bis(4',4',5',5'−tetramethyl−1',3',2'−dioxaborolan−2'−yl)−N−9'−heptadecanylcarbazole、21mg、0.03mmol)と、2,7−ビス(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−9,9−ジオクチルフルオレン(2,7−Bis(4,4,5,5−tetramethyl−1,3,2−dioxaborolan−2−yl)−9,9−dioctylfluorene、161mg、0.28mmol)と、4,7−ビス−(5−ブロモ−2−チエニル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(4,7−bis−(5−bromo−2−thienyl)−2,1,3−benzothiadiazole、143mg、0.31mmol)と、20%のテトラエチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(aq.20%tetraethylammonium hydroxide solution、3ml)と、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム0(tetrakis(triphenylphosphine)palladium0、5mg)と、Aliquat336とを入れ、還流下に撹拌した。72時間後、フェニルボロン酸(phenylboronic acid、0.05g)を入れ、3時間反応させた後、ブロモベンゼン(bromobenzene、0.12g)を入れ、4時間さらに反応させた。混合物を室温まで冷却してメタノールに注いだ後、固体をろ過し、アセトン、ヘキサン、クロロホルムにソックスレー抽出をした後、再びメタノールに沈澱させ、固体をろ過した。
収率:54%
数平均分子量:14,500g/mol
重量平均分子量:42,100g/mol
[Example 3. Synthesis of Copolymer 2]
3,6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxaborolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanyl in 3 ml of toluene Carbazole (3,6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxabolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanylcarbazole, 21 mg, 0. 03 mmol) and 2,7-bis (4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl) -9,9-dioctylfluorene (2,7-Bis (4,4 , 5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxabolan-2-yl) -9,9-dioctylfluorene, 161 mg, 0.28 mmol) and 4,7-bis- (5-bromo- -Thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole (4,7-bis- (5-bromo-2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole, 143 mg, 0.31 mmol) and 20% tetraethylammonium Aqueous hydroxide aqueous solution (aq. 20% tetraethylammonium hydroxide solution, 3 ml), tetrakis (triphenylphosphine) palladium 0 (tetrakis (triphenylphosphine) palladium 0, 5 mg) and Aliquat 336 were added and stirred under reflux. After 72 hours, phenylboronic acid (0.05 g) was added and reacted for 3 hours, and then bromobenzene (bromobenzene, 0.12 g) was added and further reacted for 4 hours. The mixture was cooled to room temperature and poured into methanol, and then the solid was filtered. After Soxhlet extraction into acetone, hexane, and chloroform, the solid was precipitated again, and the solid was filtered.
Yield: 54%
Number average molecular weight: 14,500 g / mol
Weight average molecular weight: 42,100 g / mol

[実施例4.共重合体3の合成]
トルエン3mlに、3,6−ビス(4',4',5',5'−テトラメチル−1',3',2'−ジオキサボロラン−2'−イル)−N−9'−ヘプタデカニルカルバゾール(3,6−Bis(4',4',5',5'−tetramethyl−1',3',2'−dioxaborolan−2'−yl)−N−9'−heptadecanylcarbazole、42mg、0.064mmol)と、2,7−ビス(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−9,9−ジオクチルフルオレン(2,7−Bis(4,4,5,5−tetramethyl−1,3,2−dioxaborolan−2−yl)−9,9−dioctylfluorene、147mg、0.256mmol)と、4,7−ビス−(5−ブロモ−2−チエニル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(4,7−bis−(5−bromo−2−thienyl)−2,1,3−benzothiadiazole、143mg、0.31mmol)と、20%のテトラエチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(aq.20%tetraethylammonium hydroxide solution、3ml)と、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム0(tetrakis(triphenylphosphine)palladium0、5mg)と、Aliquat336とを入れ、還流下に撹拌した。72時間後、フェニルボロン酸(phenylboronic acid、0.05g)を入れ、3時間反応させた後、ブロモベンゼン(bromobenzene、0.12g)を入れ、4時間さらに反応させた。混合物を室温まで冷却してメタノールに注いだ後、固体をろ過し、アセトン、ヘキサン、クロロホルムにソックスレー抽出をした後、再びメタノールに沈澱させ、固体をろ過した。
収率:61%
数平均分子量:6,000g/mol
重量平均分子量:9,200g/mol
[Example 4. Synthesis of Copolymer 3]
3,6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxaborolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanyl in 3 ml of toluene Carbazole (3,6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxabolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanylcarbazole, 42 mg, 0. 064 mmol) and 2,7-bis (4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl) -9,9-dioctylfluorene (2,7-Bis (4,4 , 5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxabolan-2-yl) -9,9-dioctylfluorene, 147 mg, 0.256 mmol) and 4,7-bis- (5-bromide). -2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole (4,7-bis- (5-bromo-2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole, 143 mg, 0.31 mmol), and 20% An aqueous solution of tetraethylammonium hydroxide (aq. 20% tetraethylammonium hydroxide, 3 ml), tetrakis (triphenylphosphine) palladium 0 (tetrakis (triphenylphosphine) palladium0, 5 mg) and Aliquat 336 were stirred and refluxed. After 72 hours, phenylboronic acid (0.05 g) was added and reacted for 3 hours, and then bromobenzene (bromobenzene, 0.12 g) was added and further reacted for 4 hours. The mixture was cooled to room temperature and poured into methanol, and then the solid was filtered. After Soxhlet extraction into acetone, hexane, and chloroform, the solid was precipitated again, and the solid was filtered.
Yield: 61%
Number average molecular weight: 6,000 g / mol
Weight average molecular weight: 9,200 g / mol

[比較例1.共重合体4の合成]
トルエン3mlに、2,7−ビス(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−9,9−ジオクチルフルオレン(2,7−Bis(4,4,5,5−tetramethyl−1,3,2−dioxaborolan−2−yl)−9,9−dioctylfluorene、200mg、0.32mmol)と、4,7−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(4,7−bis−(5−bromo−2−thienyl)−2,1,3−benzothiadiazole、143mg、0.31mmol)と、20%のテトラエチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(aq.20%tetraethylammonium hydroxide solution、3ml)と、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム0(tetrakis(triphenylphosphine)palladium0、5mg)と、Aliquat336とを入れ、還流下に撹拌した。72時間後、フェニルボロン酸(phenylboronic acid、0.05g)を入れ、3時間反応させた後、ブロモベンゼン(bromobenzene、0.12g)を入れ、4時間さらに反応させた。混合物を室温まで冷却してメタノールに注いだ後、固体をろ過し、アセトン、ヘキサン、クロロホルムにソックスレー抽出をした後、再びメタノールに沈澱させ、固体をろ過した。
収率:55%
数平均分子量:18,400g/mol
重量平均分子量:43,400g/mol
[Comparative Example 1. Synthesis of Copolymer 4]
To 3 ml of toluene, 2,7-bis (4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl) -9,9-dioctylfluorene (2,7-Bis (4,4 , 5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxabolan-2-yl) -9,9-dioctylfluorene, 200 mg, 0.32 mmol) and 4,7-bis (5-bromo-2-thienyl) -2 , 1,3-benzothiadiazole (4,7-bis- (5-bromo-2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole, 143 mg, 0.31 mmol) and 20% aqueous tetraethylammonium hydroxide (aq) 20% tetraethylammonium hydroxide solution, 3 And l), and tetrakis (triphenylphosphine) palladium 0 (tetrakis (triphenylphosphine) palladium0,5mg), placed and Aliquat 336, were stirred under reflux. After 72 hours, phenylboronic acid (0.05 g) was added and reacted for 3 hours, and then bromobenzene (bromobenzene, 0.12 g) was added and further reacted for 4 hours. The mixture was cooled to room temperature and poured into methanol, and then the solid was filtered. After Soxhlet extraction into acetone, hexane, and chloroform, the solid was precipitated again, and the solid was filtered.
Yield: 55%
Number average molecular weight: 18,400 g / mol
Weight average molecular weight: 43,400 g / mol

[比較例2.共重合体5の合成]
トルエン3mlに、3,6−ビス(4',4',5',5'−テトラメチル−1',3',2'−ジオキサボロラン−2'−イル)−N−9'−ヘプタデカニルカルバゾール(3,6−Bis(4',4',5',5'−tetramethyl−1',3',2'−dioxaborolan−2'−yl)−N−9'−heptadecanylcarbazole、200mg、0.304mmol)と、4,7−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(4,7−bis−(5−bromo−2−thienyl)−2,1,3−benzothiadiazole、139mg、0.304mmol)と、20%のテトラエチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(aq.20%tetraethylammonium hydroxide solution、3ml)と、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム0(tetrakis(triphenylphosphine)palladium0、5mg)と、Aliquat336とを入れ、還流下に撹拌した。72時間後、フェニルボロン酸(phenylboronic acid、0.05g)を入れ、3時間反応させた後、ブロモベンゼン(bromobenzene、0.12g)を入れ、4時間さらに反応させた。混合物を室温まで冷却してメタノールに注いだ後、固体をろ過し、アセトン、ヘキサン、クロロホルムにソックスレー抽出をした後、再びメタノールに沈澱させ、固体をろ過した。
収率:42%
数平均分子量:4,500g/mol
重量平均分子量:6,100g/mol
[Comparative Example 2. Synthesis of Copolymer 5]
3,6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxaborolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanyl in 3 ml of toluene Carbazole (3,6-Bis (4 ′, 4 ′, 5 ′, 5′-tetramethyl-1 ′, 3 ′, 2′-dioxabolan-2′-yl) -N-9′-heptadecanylcarbazole, 200 mg, 0. 304 mmol) and 4,7-bis (5-bromo-2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole (4,7-bis- (5-bromo-2-thienyl) -2,1,3- benzothiadiazole, 139 mg, 0.304 mmol) and a 20% aqueous solution of tetraethylammonium hydroxide (aq. 20% tetraethylammonium hydro). A solution of 3 to 1), tetrakis (triphenylphosphine) palladium 0 (tetrakis (triphenylphosphine) palladium 0, 5 mg) and Aliquat 336 were added and stirred under reflux. After 72 hours, phenylboronic acid (0.05 g) was added and reacted for 3 hours, and then bromobenzene (bromobenzene, 0.12 g) was added and further reacted for 4 hours. The mixture was cooled to room temperature and poured into methanol, and then the solid was filtered. After Soxhlet extraction into acetone, hexane, and chloroform, the solid was precipitated again, and the solid was filtered.
Yield: 42%
Number average molecular weight: 4,500 g / mol
Weight average molecular weight: 6,100 g / mol

[有機太陽電池の製造および特性の測定]
前記製造した共重合体と、PC71BM([6,6]−phenyl C61 butyric acid methyl ester)とを、1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かし、複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は、1〜2wt%に調節し、有機太陽電池は、ITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOがコーティングされたガラス基板は、蒸溜水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITOの表面を10分間オゾン処理した後、25nmの厚さにPEDOT:PSS(AI4083)をスピンコーティングし、235℃で10分間熱処理した。光活性層のコーティングのためには、高分子−PC71BM複合溶液を0.45μmのPPシリンジフィルタ(syringe filter)で濾過した後、スピンコーティングして、120℃で5分間熱処理し、3×10−8torrの真空下、熱蒸発器(thermal evaporator)を用いてLiFを6Å蒸着した後、120nmの厚さにAlを蒸着した。前記のように製造された有機太陽電池の光電変換特性を100mW/cm(AM1.5)の条件で測定し、下記表1にその結果を示した。
有機太陽電池の特性1
[Manufacture of organic solar cells and measurement of properties]
The prepared copolymer and PC 71 BM ([6,6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester) are dissolved in 1,2-dichlorobenzene (1,2-dichlorobenzene, DCB), and a composite solution ( composite solution). At this time, the concentration was adjusted to 1 to 2 wt%, and the organic solar cell had a structure of ITO / PEDOT: PSS / photoactive layer / LiF / Al. The glass substrate coated with ITO is ultrasonically cleaned using distilled water, acetone, and 2-propanol, and the surface of ITO is treated with ozone for 10 minutes, and then PEDOT: PSS (AI4083) is spin-coated to a thickness of 25 nm. And heat treated at 235 ° C. for 10 minutes. For coating the photoactive layer, the polymer-PC 71 BM composite solution was filtered through a 0.45 μm PP syringe filter, spin-coated, heat-treated at 120 ° C. for 5 minutes, and 3 × Under a vacuum of 10 −8 torr, 6 F of LiF was deposited using a thermal evaporator and then Al was deposited to a thickness of 120 nm. The photoelectric conversion characteristics of the organic solar cell produced as described above were measured under the condition of 100 mW / cm 2 (AM1.5), and the results are shown in Table 1 below.
Characteristics of organic solar cells 1

図2は、有機太陽電池の電流−電圧曲線を示すグラフである。   FIG. 2 is a graph showing a current-voltage curve of the organic solar cell.

前記表1の結果のように、化学式1の第1単位を含む共重合体を含む実施例2ないし4が、化学式1の第1単位を含まない共重合体を含む比較例1および化学式1の第1単位のみを含む共重合体を含む比較例2に比べて効率が向上することが分かる。   As shown in Table 1, Examples 2 to 4 including the copolymer including the first unit of Formula 1 include those of Comparative Example 1 and Formula 1 including the copolymer not including the first unit of Formula 1. It turns out that efficiency improves compared with the comparative example 2 containing the copolymer containing only a 1st unit.

前記表1の結果のように、化学式1の第1単位のモル比率に応じて、短絡電流密度とフィルファクターに影響を与えながら、エネルギー変換効率に影響を与えることが分かる。   As shown in Table 1, it can be seen that the energy conversion efficiency is affected while the short-circuit current density and the fill factor are affected according to the molar ratio of the first unit of Chemical Formula 1.

このような現象の原因として、3,6−カルバゾールが含まれ、かつ、有機太陽電池の光活性層内部の正孔移動度が向上し、結果的に電子移動度と対称をなすことにより、エネルギー変換効率が向上することを予測することができる。   As a cause of such a phenomenon, 3,6-carbazole is contained, and the hole mobility in the photoactive layer of the organic solar cell is improved, resulting in symmetry with the electron mobility. It can be predicted that the conversion efficiency is improved.

[正孔、電子移動度測定素子の製作および移動度の測定]
正孔、電子移動度測定素子は、有機太陽電池素子と同一の条件で製作し、第2電極のみ、Alの代わりにPdを蒸着した。
[Manufacture of hole and electron mobility measuring elements and measurement of mobility]
The hole and electron mobility measuring element was manufactured under the same conditions as the organic solar cell element, and Pd was deposited instead of Al only for the second electrode.

前記のように製造された移動度測定素子を、暗所でI−V特性分析装置で測定し、下記数式1を用いてSCLC電荷移動度を予測した。
The mobility measuring element manufactured as described above was measured with an IV characteristic analyzer in the dark, and the SCLC charge mobility was predicted using the following Equation 1.

ここで、Jは電流密度、Lは活性層のフィルムの厚さ、μは電荷移動度、εは活性層フィルムの相対誘電定数、εは真空誘電率、Vは内部電圧を示す。
電荷移動度測定素子の正孔、電荷移動度
Here, J is the current density, L is the thickness of the active layer film, mu h is charge mobility, epsilon r is the relative dielectric constant of the active layer film, epsilon o is the vacuum dielectric constant, V is shown an internal voltage.
Hole of charge mobility measuring element, charge mobility

図2ないし図5に示すように、化学式1の第1単位を含む共重合体が含まれた素子における電子移動度/正孔移動度は、化学式1の第1単位を含まない共重合体が含まれた素子における電子移動度/正孔移動度より底いことが分かる。これは、化学式1の第1単位が含まれることにより、正孔移動度が上昇し、2つの電荷間の電荷移動度が類似することを意味し、有機太陽電池において、電子と正孔の2つの電荷間移動度が類似するほどエネルギー変換効率が増加することは、一般的な知識を有する当業者にとって広く知られている。   As shown in FIGS. 2 to 5, the electron mobility / hole mobility in the device including the copolymer containing the first unit of Chemical Formula 1 is as follows. It can be seen that it is lower than the electron mobility / hole mobility in the included device. This means that the inclusion of the first unit of Chemical Formula 1 increases the hole mobility, and the charge mobility between the two charges is similar. It is well known to those skilled in the art having general knowledge that the similarity between two charge mobilities increases the energy conversion efficiency.

Claims (17)

下記化学式1の第1単位;下記化学式2の第2単位;および下記化学式3の第3単位を含むことを特徴とする共重合体。
(化学式1〜3において、
o、p、q、rは、それぞれ0〜3の整数であり、
sおよびtは、それぞれ0〜4の整数であり、
〜Rは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトリル基;ニトロ基;イミド基;アミド基;ヒドロキシ基;置換もしくは非置換のアルキル基;置換もしくは非置換のシクロアルキル基;置換もしくは非置換のアルコキシ基;置換もしくは非置換のアリールオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルチオキシ基;置換もしくは非置換のアリールチオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルスルホキシ基;置換もしくは非置換のアリールスルホキシ基;置換もしくは非置換のアルケニル基;置換もしくは非置換のシリル基;置換もしくは非置換のホウ素基;置換もしくは非置換のアルキルアミン基;置換もしくは非置換のアラルキルアミン基;置換もしくは非置換のアリールアミン基;置換もしくは非置換のヘテロアリールアミン基;置換もしくは非置換のアリール基;置換もしくは非置換のフルオレニル基;置換もしくは非置換のカルバゾール基;およびN、O、S原子のうちの1個以上を含む置換もしくは非置換のヘテロ環基からなる群より選択されるか、隣接する2個の置換基は縮合環を形成することができ、
〜Rは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトリル基;ニトロ基;イミド基;アミド基;ヒドロキシ基;置換もしくは非置換のアルキル基;置換もしくは非置換のシクロアルキル基;置換もしくは非置換のアルコキシ基;置換もしくは非置換のアリールオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルチオキシ基;置換もしくは非置換のアリールチオキシ基;置換もしくは非置換のアルキルスルホキシ基;置換もしくは非置換のアリールスルホキシ基;置換もしくは非置換のアルケニル基;置換もしくは非置換のシリル基;置換もしくは非置換のホウ素基;置換もしくは非置換のアルキルアミン基;置換もしくは非置換のアラルキルアミン基;置換もしくは非置換のアリールアミン基;置換もしくは非置換のヘテロアリールアミン基;置換もしくは非置換のアリール基;置換もしくは非置換のフルオレニル基;置換もしくは非置換のカルバゾール基;およびN、O、S原子のうちの1個以上を含む置換もしくは非置換のヘテロ環基からなる群より選択されるか、隣接する2個の置換基は縮合環を形成することができる。)
A copolymer comprising: a first unit of the following chemical formula 1; a second unit of the following chemical formula 2; and a third unit of the following chemical formula 3.
(In chemical formulas 1-3,
o, p, q, and r are each an integer of 0 to 3,
s and t are each an integer of 0 to 4,
R a to R d are the same or different from each other, and each independently represents hydrogen; deuterium; halogen group; nitrile group; nitro group; imide group; amide group; hydroxy group; substituted or unsubstituted alkyl group; Substituted or unsubstituted alkoxy group; substituted or unsubstituted aryloxy group; substituted or unsubstituted alkylthioxy group; substituted or unsubstituted arylthioxy group; substituted or unsubstituted alkylsulfoxy Substituted or unsubstituted arylsulfoxy group; substituted or unsubstituted alkenyl group; substituted or unsubstituted silyl group; substituted or unsubstituted boron group; substituted or unsubstituted alkylamine group; substituted or unsubstituted Aralkylamine group; substituted or unsubstituted arylamine group; substituted or Substituted or unsubstituted aryl groups; substituted or unsubstituted fluorenyl groups; substituted or unsubstituted carbazole groups; and substituted or unsubstituted containing one or more of N, O, S atoms Or two adjacent substituents selected from the group consisting of heterocyclic groups can form a condensed ring;
R 1 to R 7 are the same or different from each other, and are independently hydrogen, deuterium, halogen group, nitrile group, nitro group, imide group, amide group, hydroxy group, substituted or unsubstituted alkyl group, substituted or non-substituted Substituted or unsubstituted alkoxy group; substituted or unsubstituted aryloxy group; substituted or unsubstituted alkylthioxy group; substituted or unsubstituted arylthioxy group; substituted or unsubstituted alkylsulfoxy Substituted or unsubstituted arylsulfoxy group; substituted or unsubstituted alkenyl group; substituted or unsubstituted silyl group; substituted or unsubstituted boron group; substituted or unsubstituted alkylamine group; substituted or unsubstituted Aralkylamine group; substituted or unsubstituted arylamine group; substituted or Substituted or unsubstituted aryl groups; substituted or unsubstituted fluorenyl groups; substituted or unsubstituted carbazole groups; and substituted or unsubstituted containing one or more of N, O, S atoms Or two adjacent substituents selected from the group consisting of heterocyclic groups can form a condensed ring. )
前記第1単位は、共重合体の全体含有量中0モル%超過45モル%以下のものであることを特徴とする請求項1に記載の共重合体。   2. The copolymer according to claim 1, wherein the first unit has a content exceeding 0 mol% and not more than 45 mol% in the total content of the copolymer. 前記共重合体は、下記化学式4で表されるものを含むことを特徴とする請求項1に記載の共重合体。
(化学式4において、
lは、モル分率であって、0<l≦1の実数で、
mは、モル分率であって、0≦m<1の実数で、l+m=1であり、
nは、1〜10,000の整数であり、
Aは、上記化学式1であり、
B、C、Dは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、化学式2または3であり、
B、C、Dのうちの少なくとも1つは、化学式3である。)
The copolymer according to claim 1, wherein the copolymer includes one represented by the following chemical formula 4.
(In Formula 4,
l is the mole fraction and is a real number where 0 <l ≦ 1,
m is a mole fraction, a real number of 0 ≦ m <1, and l + m = 1.
n is an integer from 1 to 10,000;
A is Formula 1 above,
B, C, and D are the same or different from each other, and each independently have the chemical formula 2 or 3,
At least one of B, C, and D is Formula 3. )
前記BおよびDは、化学式3であり、前記Cは、化学式2であることを特徴とする請求項3に記載の共重合体。   4. The copolymer according to claim 3, wherein B and D are represented by Formula 3, and C is Formula 2. 3. 前記共重合体は、下記化学式5で表されるものであることを特徴とする請求項1に記載の共重合体。
(化学式5において、
〜RおよびR〜R、o、p、q、r、s、tは、化学式1〜3で定義したとおりであり、
lは、モル分率であって、0<l≦1の実数であり、mは、モル分率であって、0≦m<1の実数で、l+m=1であり、
nは、1〜10,000の整数である。)
The copolymer according to claim 1, wherein the copolymer is represented by the following chemical formula 5.
(In chemical formula 5,
R a to R d and R 1 to R 7 , o, p, q, r, s, and t are as defined in chemical formulas 1 to 3,
l is a mole fraction and is a real number of 0 <l ≦ 1, m is a mole fraction and is a real number of 0 ≦ m <1 and l + m = 1,
n is an integer of 1 to 10,000. )
前記共重合体は、下記化学式6の第4単位および化学式7の第5単位を含むものであることを特徴とする請求項1に記載の共重合体。
(化学式6および7において、
は、化学式1で定義したとおりであり、
およびRは、化学式2で定義したとおりであり、
lは、モル分率であって、0<l≦1の実数であり、
mは、モル分率であって、0≦m<1の実数で、l+m=1である。)
The copolymer according to claim 1, wherein the copolymer includes a fourth unit represented by the following chemical formula 6 and a fifth unit represented by the chemical formula 7.
(In Chemical Formulas 6 and 7,
R 1 is as defined in Chemical Formula 1,
R 2 and R 3 are as defined in Chemical Formula 2,
l is a mole fraction, and is a real number of 0 <l ≦ 1,
m is a mole fraction, and is a real number of 0 ≦ m <1, and l + m = 1. )
前記共重合体の末端は、アリール基であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の共重合体。   The copolymer according to any one of claims 1 to 6, wherein a terminal of the copolymer is an aryl group. 前記共重合体の末端は、ヘテロ環基であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の共重合体。   The copolymer according to any one of claims 1 to 6, wherein a terminal of the copolymer is a heterocyclic group. 前記共重合体は、数平均分子量500〜1,000,000g/molであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の共重合体。   The copolymer according to any one of claims 1 to 6, wherein the copolymer has a number average molecular weight of 500 to 1,000,000 g / mol. 前記共重合体は、1〜100の分子量分布を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の共重合体。   The copolymer according to any one of claims 1 to 6, wherein the copolymer has a molecular weight distribution of 1 to 100. 第1電極;第1電極に対向する第2電極;および前記第1電極と第2電極との間に備えられ、光活性層を含む1層以上の有機物層を含み、前記有機物層のうちの1層以上は、請求項1〜6のいずれか1項に記載の共重合体を含むものであることを特徴とする有機太陽電池。   A first electrode; a second electrode opposite to the first electrode; and one or more organic layers including a photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode; One or more layers contain the copolymer of any one of Claims 1-6, The organic solar cell characterized by the above-mentioned. 前記有機物層は、電子供与体および電子受容体からなる群より選択される1つ以上をさらに含み、前記電子供与体物質は、前記共重合体であることを特徴とする請求項11に記載の有機太陽電池。   The organic material layer further includes at least one selected from the group consisting of an electron donor and an electron acceptor, and the electron donor material is the copolymer. Organic solar cell. 前記電子受容体は、フラーレン、フラーレン誘導体、炭素ナノチューブ、炭素ナノチューブ誘導体、バソクプロイン、半導体性元素、半導体性化合物およびこれらの組合せからなる群より選択されるものであることを特徴とする請求項12に記載の有機太陽電池。   The electron acceptor is selected from the group consisting of fullerene, fullerene derivatives, carbon nanotubes, carbon nanotube derivatives, bathocuproine, semiconducting elements, semiconducting compounds, and combinations thereof. The organic solar cell described. 前記電子受容体は、C60フラーレン誘導体またはC70フラーレン誘導体であることを特徴とする請求項12に記載の有機太陽電池。   The organic solar cell according to claim 12, wherein the electron acceptor is a C60 fullerene derivative or a C70 fullerene derivative. 前記共重合体と前記電子受容体との混合割合が1:0.5〜1:4の重量比であることを特徴とする請求項12に記載の有機太陽電池。   The organic solar cell according to claim 12, wherein a mixing ratio of the copolymer and the electron acceptor is a weight ratio of 1: 0.5 to 1: 4. 前記共重合体とC60フラーレン誘導体またはC70フラーレン誘導体との混合割合が1:0.5〜1:4の重量比であることを特徴とする請求項14に記載の有機太陽電池。   15. The organic solar cell according to claim 14, wherein a mixing ratio of the copolymer and the C60 fullerene derivative or C70 fullerene derivative is a weight ratio of 1: 0.5 to 1: 4. 基板を準備するステップ;
前記基板の背面の一領域に第1電極を形成するステップ;
前記第1電極上に、請求項1〜6のいずれか1項に記載の共重合体を含む有機物層を形成するステップ;および
前記有機物層上に第2電極を形成するステップを含むことを特徴とする有機太陽電池の製造方法。
Preparing a substrate;
Forming a first electrode in a region of the back surface of the substrate;
Forming an organic layer containing the copolymer according to any one of claims 1 to 6 on the first electrode; and forming a second electrode on the organic layer. A method for producing an organic solar cell.
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