JP2015505868A - 重合体およびこれを含む有機太陽電池 - Google Patents

重合体およびこれを含む有機太陽電池 Download PDF

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Abstract

本明細書は、有機太陽電池の寿命、効率、電気化学的安定性および熱的安定性を大きく向上させることができる重合体および前記重合体を光活性層に含む有機太陽電池を提供する。【選択図】図9

Description

本明細書は、重合体およびこれを含む有機太陽電池に関するものである。
本明細書は、2012年2月6日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10−2012−0011980号、2012年10月16日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10−2012−0114808号、および2013年2月4日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10−2013−0012261号の出願日の利益を主張し、その内容はすべて本明細書に組み込まれる。
太陽電池は、光起電力効果(photovoltaic effect)を応用することにより、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換可能な素子である。太陽電池は、薄膜を構成する物質によって、無機太陽電池と、有機太陽電池に分けられる。典型的な太陽電池は、無機半導体の結晶性シリコン(Si)をドーピング(doping)してp−n接合で作ったものである。光を吸収して生じる電子と正孔はp−n接合点まで拡散し、その電界によって加速されて電極に移動する。この過程の電力変換効率は、外部回路に与えられる電力と太陽電池に入った太陽電力との比で定義され、現在標準化された仮想の太陽照射条件で測定する時、24%程度まで達成された。しかし、従来の無機太陽電池は、すでに経済性および材料上の需給において限界を示していることから、加工が容易で、安価で、多様な機能性を有する有機物半導体太陽電池が長期的な代替エネルギー源として注目されている。
有機太陽電池は、多様な有機半導体材料を少量使用するため、素材費用の節減をもたらすことができ、湿式工程で薄膜を製造することができ、手軽な方法で素子の製作が可能である。
一方、太陽電池は、太陽エネルギーからできるだけ多くの電気エネルギーを出力できるように効率を高めることが重要である。このような太陽電池の効率を高めるためには、半導体の内部でできるだけ多くのエキシトンを生成することも重要であるが、生成された電荷を損失することなく外部に引き出すことも重要である。電荷が損失する原因の一つが、生成された電子および正孔が再結合(recombination)によって消滅することである。生成された電子や正孔が損失することなく電極に伝達するための方法として多様な方法が提示されているが、その大部分が追加工程を要し、これに伴って製造費用が上昇することがある。
有機太陽電池の可能性が初めて提示されたのは1970年代であるが、効率が低すぎて実用性がなかった。しかし、1986年、イーストマンコダック(Eastman Kodak)のC.W.Tangがフタロシアニン銅(copper phthalocyanine、CuPc)とペリレンテトラカルボン酸(perylene tetracarboxylic acid)誘導体を用いた二重層構造をもって多様な太陽電池としての実用化の可能性を示すにつれ、有機太陽電池に対する関心や研究が急速に増加し、多くの発展をもたらした。以後、1995年には、YuなどによってBHJ(Bulk Heterojunction)の概念が導入され、PCBMのように、溶解度の向上したフラーレン(fullerene)誘導体がn型半導体物質として開発されるにつれ、有機太陽電池の効率の面で画期的な発展があった。
本明細書は、正孔移動度が高く、優れた電気的特性を示すことができ、特に、安定したHOMOエネルギー準位を有していて、高い開放電圧を有することにより、光電変換効率特性に優れた重合体およびこれを含む有機太陽電池を提供する。また、製造工程が簡単で、大量生産が可能な電子供与体物質を提供する。
本明細書の一実施形態は、下記の化学式1の単位を含み、
数平均分子量が10,000以上1,000,000以下である、重合体を提供する。
[化学式1]
Figure 2015505868
前記化学式1において、
前記Lは、下記の化学式2、化学式3および化学式4を含み、
nは、2〜100,000の整数であり、
[化学式2]
Figure 2015505868
[化学式3]
Figure 2015505868
化学式2および化学式3において、
〜Rは、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトロ基;ニトリル基;イミド基;アミド基(−CONXであり、XおよびXは、互いに同一または異なっていてもよく、それぞれ独立に、水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);ヒドロキシ基;エステル基(−COOXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);カルボニル基(−COXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基;置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基;置換もしくは非置換の炭素数2〜25のアルケニル基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチオフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のセレノフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のピロール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチアゾール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリールアミン基;および炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリール基からなる群より選択され、
[化学式4]
Figure 2015505868
前記化学式4において、
前記Aは、下記の化学式5〜13のうちの1または2以上が連結されたものであり、
[化学式5]
Figure 2015505868
[化学式6]
Figure 2015505868
[化学式7]
Figure 2015505868
[化学式8]
Figure 2015505868
[化学式9]
Figure 2015505868
[化学式10]
Figure 2015505868
[化学式11]
Figure 2015505868
[化学式12]
Figure 2015505868
[化学式13]
Figure 2015505868
前記化学式5〜13において、
d、e、fおよびgは、それぞれ0〜3の整数であり、
hおよびiは、それぞれ0〜6の整数であり、
〜Xは、それぞれ独立に、CR'R''、SiR'R''、GeR'R''、NR'、PR'、O、SおよびSeからなる群より選択され、
およびYは、それぞれ独立に、CR'、SiR'、GeR'、NおよびPからなる群より選択され、
Zは、SiR'R''、GeR'R''、NR'、PR'、O、SおよびSeからなる群より選択され、
〜R24、R'、R''およびR'''は、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトロ基;ニトリル基;イミド基;アミド基(−CONXであり、XおよびXは、互いに同一または異なっていてもよく、それぞれ独立に、水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);ヒドロキシ基;エステル基(−COOXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);カルボニル基(−COXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基;置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基;置換もしくは非置換の炭素数2〜25のアルケニル基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチオフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のセレノフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のピロール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチアゾール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリールアミン基;および炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリール基からなる群より選択され、
a、bおよびcは、それぞれ独立に、化学式2〜化学式4のモル分率を示し、
aは、0<a≦0.45の実数であり、
bは、0<b≦0.45の実数であり、
cは、0.1≦c<1の実数であり、
a+b+c=1である。
また、本明細書の一実施形態は、第1電極、第2電極、および1層以上の光活性層を含み、前記光活性層のうちの1層以上は、前記化学式1の重合体を含む、有機太陽電池を提供する。
さらに、本明細書の一実施形態は、基板を用意するステップと、前記基板上に第1電極を形成するステップと、前記第1電極上に、前記化学式1の重合体を含む光活性層を形成するステップと、前記光活性層上に第2電極を形成するステップとを含む、有機太陽電池の製造方法を提供する。
本明細書の化学式1で表される重合体は、有機太陽電池を含めた有機電子素子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を含めた有機電子素子は、効率上昇および安定性上昇などにおいて優れた特性を示す。特に、本明細書の化学式1で表される重合体は、熱的安定性に優れ、深いHOMO準位、多様なバンドギャップ、多様なLUMO準位状態および電子安定性を有して優れた特性を示した。本明細書の化学式1で表される重合体は、有機太陽電池を含めた有機電子素子において純粋に使用したり、不純物を混ぜて使用可能であり、溶液塗布法で適用可能で光効率を向上させ、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。
製造例1−Aの化合物である4−ブロモ−7−(チオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾールの1H−NMRスペクトルを示したものである。 製造例1−Bの化合物である4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾールの1H−NMRスペクトルを示した図である。 製造例1−Bの化合物である4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾールのHPLC、MSスペクトルを示した図である。 製造例2の化合物であるポリ(N−9−ヘプタデカニルカルバゾール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)2,1,3−ベンゾチアジアゾール)のNMRスペクトルを示した図である。 構造式1〜2の化合物のフィルム上のUV吸光スペクトルを示した図である。 構造式1〜2の化合物の電気化学測定結果(Cyclic voltammetry)を示した図である。 構造式1〜2の化合物とPC61BMまたはPC71BMを用いた有機太陽電池を示した図である。 構造式1の化合物であるポリ(N−9−ヘプタデカニルカルバゾール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)2,1,3−ベンゾチアジアゾール)を含む、実施例1および実施例2で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを示した図である。 構造式2の化合物であるポリ(4,4'−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2',3'−d]シロール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)2,1,3−ベンゾチアジアゾール)を含む、実施例3および実施例4で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを示した図である。 製造例1−Cの化合物である2,5−ビス(トリメチルスタンニル)チオフェンの1H−NMRスペクトルを示した図である。 製造例1−Dの化合物は、4−ブロモ−7−(チオフェン−2−イル)−5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾールのMSスペクトルを示した図である。 製造例1−Eで合成した4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾールのMSスペクトルを示した図である。 構造式4のフィルム上のUV吸光スペクトルを示した図である。 構造式4の電気化学測定結果(Cyclic voltammetry)を示した図である。 構造式4の化合物であるポリ(N−9−ヘプタデカニルカルバゾール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)を含む、実施例5で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを示した図である。 構造式5のフィルム上のUV吸光スペクトルを示した図である。 構造式5の電気化学測定結果(Cyclic voltammetry)を示した図である。 構造式5の化合物であるポリ(4,8−ビス(2−エチルヘキシルオキシ)ベンゾ[1,2−b:4,5−b']ジチオフェン−2,6−ジイル−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)を含む、実施例6で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを示した図である。 構造式6のフィルム上のUV吸光スペクトルを示した図である。 構造式6の電気化学測定結果(Cyclic voltammetry)を示した図である。 構造式6の化合物であるポリ(チオフェン−2,5−イル−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)を含む、実施例7で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを示した図である。
以下、本明細書について詳細に説明する。
本明細書において、電子供与体(electron donor)は、電子ドナーともいい、正電荷または電子対の欠如した部分に電子を供与するイオン、原子または分子の総称を意味する。また、電子受容体と混合された状態で光を受けた時、分子自体の豊かな電子保有性質によって、電気陰性度の大きい電子受容体に励起電子(excited electron)を伝達できるものを含む。
本明細書において、電子受容体(electron acceptor)は、電子供与体から電子を受け入れる原子、分子、イオンを総称して意味する。
本明細書の一実施形態は、下記の化学式1で表される単位を含み、数平均分子量が10,000以上1,000,000以下である、重合体を提供する。
[化学式1]
Figure 2015505868
前記化学式1において、
前記Lは、下記の化学式2、化学式3、および化学式4を含み、
nは、2〜100,000の整数であり、
[化学式2]
Figure 2015505868
[化学式3]
Figure 2015505868
化学式2および化学式3において、
〜Rは、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトロ基;ニトリル基;イミド基;アミド基(−CONXであり、XおよびXは、互いに同一または異なっていてもよく、それぞれ独立に、水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);ヒドロキシ基;エステル基(−COOXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);カルボニル基(−COXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基;置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基;置換もしくは非置換の炭素数2〜25のアルケニル基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチオフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のセレノフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のピロール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチアゾール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリールアミン基;および炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリール基からなる群より選択され、
[化学式4]
Figure 2015505868
前記化学式4において、
前記Aは、下記の化学式5〜13のうちの1または2以上が連結されたものであり、
[化学式5]
Figure 2015505868
[化学式6]
Figure 2015505868
[化学式7]
Figure 2015505868
[化学式8]
Figure 2015505868
[化学式9]
Figure 2015505868
[化学式10]
Figure 2015505868
[化学式11]
Figure 2015505868
[化学式12]
Figure 2015505868
[化学式13]
Figure 2015505868
前記化学式5〜13において、
d、e、fおよびgは、それぞれ0〜3の整数であり、
hおよびiは、それぞれ0〜6の整数であり、
〜Xは、それぞれ独立に、CR'R''、SiR'R''、GeR'R''、NR'、PR'、O、SおよびSeからなる群より選択され、
およびYは、それぞれ独立に、CR'、SiR'、GeR'、NおよびPからなる群より選択され、
Zは、SiR'R''、GeR'R''、NR'、PR'、O、SおよびSeからなる群より選択され、
〜R24、R'、R''およびR'''は、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトロ基;ニトリル基;イミド基;アミド基(−CONXであり、XおよびXは、互いに同一または異なっていてもよく、それぞれ独立に、水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);ヒドロキシ基;エステル基(−COOXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);カルボニル基(−COXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基;置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基;置換もしくは非置換の炭素数2〜25のアルケニル基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチオフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のセレノフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のピロール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチアゾール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリールアミン基;および炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリール基からなる群より選択され、
a、bおよびcは、それぞれ独立に、化学式2〜化学式4のモル分率を示し、
aは、0<a≦0.45の実数であり、
bは、0<b≦0.45の実数であり、
cは、0.1≦c<1の実数であり、
a+b+c=1である。
本明細書において、前記重合体の数平均分子量は、10,000以上1,000,000以下である。
本明細書の一実施形態にかかる化合物は、高分子水準である。数平均分子量が高分子水準を有する化合物の場合、数平均分子量がオリゴマー水準を有する化合物より電荷移動度が高く、フィルム特性が良い特性がある。
数平均分子量が10,000以上の場合、分子内の電荷の移動距離が長く、分子間の電荷移動(hoping)回数が少なく、電荷移動度が顕著に低下するのを防止し、有機太陽電池の有機物層への使用に好適である。また、数平均分子量が1,000,000以下の場合、溶解度が適切で、溶液工程が可能である効果がある。
したがって、本明細書の一実施形態にかかる前記範囲の数平均分子量を有する重合体は、有機太陽電池の光活性層として適切な電荷移動度を有し、溶液工程で製造可能である。
本明細書の一実施形態において、前記化学式1の重合体は、化学式3および2が順次に連結される。
本明細書の一実施形態において、前記化学式1の重合体は、化学式2および化学式3が順次に連結される。
本明細書の一実施形態において、前記化学式1の重合体は、下記の化学式14または下記の化学式15である、重合体であり得る。
[化学式14]
Figure 2015505868
[化学式15]
Figure 2015505868
化学式14または15において、A、R〜R、a、b、cおよびnの定義は、前記化学式1〜化学式4における定義と同じである。
本明細書において、
Figure 2015505868
は、高分子主鎖、末端基または他の置換基に連結される部位を意味する。
前記化学式1〜15において、ハロゲン基は、フッ素、塩素、臭素またはヨウ素になるとよい。
前記化学式1〜15において、アリール基は、単環式アリール基または多環式アリール基であり得る。
前記アリール基が単環式アリール基の場合、炭素数は特に限定されないが、炭素数6〜25であることが好ましい。単環式アリール基としては、具体的には、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基またはスチルベニル基などになるとよいが、これらに限定されるものではない。
前記アリール基が多環式アリール基の場合、炭素数は特に限定されないが、炭素数10〜24であることが好ましい。多環式アリール基としては、具体的には、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基、ピレニル基、ペリレニル基、クリセニル基またはフルオレニル基などになるとよいが、これらに限定されるものではない。
前記化学式1〜15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が、これに限定されるものではない。
前記化学式1〜15において、アミド基は、水素、炭素数1〜25の直鎖、分枝鎖もしくは環鎖アルキル基、または炭素数6〜25のアリール基で1または2置換されていてもよい。具体的には、下記の構造式の化合物になるとよいが、これに限定されるものではない。
Figure 2015505868
前記化学式1〜15において、エステル基は、炭素数1〜25の直鎖、分枝鎖もしくは環鎖アルキル基、または炭素数6〜25のアリール基で置換されていてもよい。具体的には、下記の構造式の化合物になるとよいが、これに限定されるものではない。
Figure 2015505868
前記化学式1〜15において、アルキル基は、直鎖、分枝鎖もしくは環鎖であり得る。アルキル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、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、iso−ペンチル基、neo−ペンチル基、n−ヘキシル基、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基またはシクロヘキシル基などになるとよいが、これらに限定されるものではない。
前記化学式1〜15において、アルコキシ基は、直鎖、分枝鎖もしくは環鎖であり得る。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−ブチルオキシ基またはシクロペンチルオキシ基などになるとよいが、これらに限定されるものではない。
前記化学式1〜15において、アルケニル基は、直鎖もしくは分枝鎖であり得、置換もしくは非置換であり得、炭素数は特に限定されないが、2〜25であり得る。前記アルケニル基の具体例としては、エテニル、プロペニル、ブテニルまたはペンテニルなどが挙げられるが、これらにのみ限定されるものではない。
前記化学式1〜15において、「置換もしくは非置換」とは、1個以上の置換基で置換されたか、いずれの置換基も有さないことを意味する。
前記化学式1〜15において、置換基が特に限定されない場合、前記置換基は、ハロゲン基、ニトリル基、ニトロ基、ヒドロキシ基、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリールオキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アリルチオ基、スルホキシ基、アルキルスルホキシ基、アリールスルホキシ基、シリル基、ホウ素基、アリールアミン基、アラルキルアミン基、アルキルアミン基、アリール基、フルオレニル基、カルバゾール基、アリールアルキル基、アリールアルケニル基、ヘテロ環基およびアセチレン基からなる群より選択された1個以上の置換基であり得る。
本明細書の一実施形態にかかる前記化学式2〜化学式4において、a、bおよびcは、それぞれ独立に、化学式2〜化学式4のモル分率を出すことができる。前記モル分率とは、全体化合物のモル数に対する当該化合物のモル数を意味する。
本明細書の一実施形態において、前記aは、化学式1、化学式14または化学式15の化合物において、全体モル数に対する化学式2のモル数であり、0<a≦0.45の実数であり得る。
本明細書の一実施形態において、前記bは、化学式1、化学式14または化学式15の化合物において、全体モル数に対する化学式3のモル数であり、0<b≦0.45の実数であり得る。
本明細書の一実施形態において、前記cは、化学式1、化学式14または化学式15の化合物において、全体モル数に対する化学式4のモル数であり、0.1≦c<1の実数であり得る。
本明細書の一実施形態において、前記a+b+c=1であり得る。
本明細書の一実施形態において、前記aは、1/3であり、前記bは、1/3であり、前記cは、1/3であり得る。
本明細書の一実施形態にかかる前記化学式1、化学式14または化学式15において、nは、2〜100,000の整数であり、より好ましくは30〜100の整数であり得る。nの値が100,000以下の場合、溶液塗布法が容易であり得る。nの値が2〜100,000以内であれば、数値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り得る。具体的には、nの値が30〜100の整数範囲の場合、溶解度が良好になり、溶液塗布法の適用に有利である。
本明細書の一実施形態にかかる化学式1、化学式14または化学式15において、数平均分子量は10,000〜1,000,000であり、1〜100の分子量分布を有することができ、より好ましくは、数平均分子量が10,000〜100,000であり、1〜3の分子量分布を有する。
前記数平均分子量が1,000,000以下の場合、溶解度が良好になり、溶液塗布法の適用に有利である。数平均分子量が10,000〜1,000,000の範囲内であれば、数値が大きくなるほど電気的特性と機械的特性が良好になる。具体的には、数平均分子量が10,000〜100,000の範囲内であれば、溶解度がより良好になり、電気的特性と機械的特性がより良い。
本明細書において、数平均分子量とは、質量を重合体内の高分子鎖の総数で割った値を意味する。
前記分子量分布は、1〜100の範囲であれば、効果が良く、100以下であれば、低い値ほど効果が良い。具体的には、分子量分布は1〜3の場合、溶解度が良好になり、溶液塗布法の適用に有利であり、電気的特性と機械的特性がより良い。
本明細書において、分子量分布値は、重量平均分子量(Mw)を水平均分子量(Mn)で割った値を意味する。
本明細書の一実施形態にかかる化学式1、化学式14または化学式15において、末端基としては特に限定されず、例えば、ヘテロ芳香族基、芳香族基またはハロゲン置換アルキル基などであり得る。ヘテロ芳香族基としては、チオフェンまたはフランなどがある。芳香族基としては、ベンゼン、ナフタレンまたはアントラセンなどであり得る。ただし、前記具体例に限定されるものではない。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式9である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式9である。この場合、前記Zは、NR'である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式9である。この場合、前記Zは、NR'である。前記R'は、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式9である。この場合、前記Zは、NR'である。前記R'は、分枝鎖のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式8である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式8である。この場合、前記Xは、Sである。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式8である。この場合、前記Xは、SiR'R''である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式8である。この場合、前記Xは、SiR'R''である。前記R'は、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式8である。この場合、前記Xは、SiR'R''である。前記R'は、分枝鎖のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式8である。この場合、前記Xは、SiR'R''である。前記R''は、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、前記化学式8である。この場合、前記Xは、SiR'R''である。前記R''は、分枝鎖のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式8である。この場合、前記Xは、CR'R''である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式8である。この場合、前記Xは、CR'R''である。前記R'は、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式8である。この場合、前記Xは、CR'R''である。前記R'は、分枝鎖のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式8である。この場合、前記Xは、CR'R''である。前記R''は、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式8である。この場合、前記Xは、CR'R''である。前記R''は、分枝鎖のアルキル基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。この場合、前記Xは、Sである。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。この場合、前記Xは、Sである。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。この場合、前記Yは、CR'である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。この場合、前記Yは、CR'である。前記R'は、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。この場合、前記Yは、CR'である。前記R'は、分枝鎖のアルコキシ基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。この場合、前記Yは、CR'である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。この場合、前記Yは、CR'である。前記R'は、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式10である。この場合、前記Yは、CR'である。前記R'は、分枝鎖のアルコキシ基である。
本明細書の一実施形態において、前記Rは、水素である。
本明細書の一実施形態において、前記Rは、水素である。
本明細書の一実施形態において、前記Rは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基である。
本明細書の一実施形態において、前記Rは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式5である。
本明細書の一実施形態において、前記Aは、化学式5である。この場合、前記Xは、Sである。
本明細書の一実施形態において、前記Rは、水素である。
本明細書の一実施形態において、前記Rは、水素である。
本明細書の一実施形態において、前記RおよびRは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素;または置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基である。前記RまたはRがアルコキシ基の場合、溶解度が上昇可能である。
本明細書の一実施形態において、前記Rは、水素である。
本明細書の一実施形態において、前記Rは、水素である。
本明細書の一実施形態にかかる化学式1の重合体は、下記の構造式1〜14のうちのいずれか1つで表される重合体になるとよいが、これに限定されるものではない。
[構造式1]
Figure 2015505868
[構造式2]
Figure 2015505868
[構造式3]
Figure 2015505868
[構造式4]
Figure 2015505868
[構造式5]
Figure 2015505868
[構造式6]
Figure 2015505868
[構造式7]
Figure 2015505868
[構造式8]
Figure 2015505868
[構造式9]
Figure 2015505868
[構造式10]
Figure 2015505868
[構造式11]
Figure 2015505868
[構造式12]
Figure 2015505868
[構造式13]
Figure 2015505868
[構造式14]
Figure 2015505868
構造式1〜14において、
前記a、b、cおよびnの定義は、化学式1〜化学式4で定義したのと同じである。
本明細書の一実施形態にかかる化学式1の化合物は、多段階の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、スズキ(Suzuki)カップリング反応、またはスティル(Stille)カップリング反応などにより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により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、スズキカップリング反応により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により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。
また、本明細書の一実施形態は、前記化学式1の単位を含む重合体を光活性層として含む、有機太陽電池を提供する。
本明細書の一実施形態にかかる有機太陽電池は、第1電極、第2電極、および光活性層を含む。前記有機太陽電池は、基板、正孔輸送層および/または電子輸送層をさらに含むことができる。
本明細書の一実施形態にかかる有機太陽電池は、電子輸送層および正孔輸送層のうちの1つ以上をさらに含む。
もう一つの実施形態において、前記電子輸送層および正孔輸送層のうちの1つ以上は、前記化学式1の重合体を含む。
前記基板は、透明性、表面平滑性、取り扱い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になるとよいが、これに限定されず、有機太陽電池に通常使用される基板であれば制限されない。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。
前記第1電極は、アノードまたはカソードになっていてもよく、前記第2電極は、アノードまたはカソードになっていてもよい。
前記アノードは、通常、有機物層への正孔注入が円滑になるように、仕事関数の大きい物質が好ましい。また、透明かつ、伝導性に優れた物質になるとよいが、これに限定されない。本明細書で使用可能なアノード物質の具体例としては、バナジウム、クロム、銅、亜鉛、金のような金属またはこれらの合金;亜鉛酸化物、インジウム酸化物、インジウムスズ酸化物(ITO)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)のような金属酸化物;ZnO:AlまたはSNO:Sbのような金属と酸化物との組み合わせ;ポリ(3−メチルチオフェン)、ポリ[3,4−(エチレン−1,2−ジオキシ)チオフェン](PEDOT)、ポリピロールおよびポリアニリンのような伝導性高分子などがあるが、これらにのみ限定されるものではない。
前記カソードは、通常、有機物層への電子注入が容易となるように、仕事関数の小さい物質であることが好ましい。カソード物質の具体例としては、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタン、インジウム、イットリウム、リチウム、ガドリニウム、アルミニウム、銀、スズおよび鉛のような金属またはこれらの合金;Al/Li、Al/BaF、Al/BaF/Ba、LiF/AlまたはLiO/Alのような多層構造の物質などがあるが、これらにのみ限定されるものではない。
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になるとよいが、特に制限されない。具体例としては、アリールアミン系の有機物、伝導性高分子、および共役部分と非共役部分が共にあるブロック重合体などがあるが、これらにのみ限定されない。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)になるとよい。
前記電子輸送層物質は、8−ヒドロキシキノリンのAl錯体;Alqを含む錯体;有機ラジカル化合物;ヒドロキシフラボン−金属錯体、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になるとよい。
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。前記電子供与体物質は、本明細書の一実施形態である化学式1の重合体になるとよい。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み合わせになるとよく、具体的には、PC61BM(phenyl C61−butyric acid methyl ester)またはPC71BM(phenyl C71−butyric acid methyl ester)になるとよい。
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BHJ(Bulk Heterojunction)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、混合された後に、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。
前記有機太陽電池は、アノード、正孔輸送層、光活性層、電子輸送層およびカソードの順に配列されてもよく、カソード、電子輸送層、光活性層、正孔輸送層およびアノードの順に配列されてもよいが、これに限定されない。
有機太陽電池は、光励起によって、p型半導体が電子および正孔の対をなしたエキシトン(exciton)を形成し、前記エキシトンがp−n接合部で電子と正孔に分離される。分離された電子と正孔は、n型半導体薄膜およびp型半導体薄膜にそれぞれ移動し、これらがそれぞれ第1電極と第2電極に収集されることにより、外部で電気エネルギーとして利用することができる。
有機太陽電池は、光活性層の構造によって、バイレイヤー(bi−layer)p−n接合型有機太陽電池と、BHJ(bulk heterojunction)接合型有機太陽電池がある。バイレイヤー(bi−layer)p−n接合型有機太陽電池は、p型半導体薄膜とn型半導体薄膜の2つの層からなる光活性層を含む。BHJ(bulk heterojunction)接合型有機太陽電池は、n型半導体とp型半導体とがブレンドされた光活性層を含む。
高分子太陽電池は、新たな素子構成および工程条件の変化などで効率の向上が目立っている。そのため、従来の物質を代替するために、低いバンドギャップ(bandgap)を有する電子供与体物質と、電荷移動度の良い新たな電子受容体物質を開発するために研究を行った。
電子供与体物質は、p型伝導性高分子を中心として多くの研究が行われてきたが、依然としてバンドギャップが大きく、太陽光スペクトルの相当部分をすべて吸収することができない。また、高分子の溶解度が良くなく、溶液工程によるスピンコーティングやロールツーロールプロセスあるいはインクジェットプリンティング工程を利用するのに限界がある。そして、フラーレン誘導体などの電子受容体物質との組み合わせによるBHJ素子は、効率が最大8%水準にとどまっており、商業化のためには、電子的特性の改善された新規光活性物質が要求されていた。
しかし、本明細書の一実施形態にかかる有機太陽電池は、効率上昇および安定性上昇などにおいて優れた特性を示す。本明細書の化学式1の重合体は、熱的安定性に優れ、深いHOMO準位、多様なバンドギャップ、多様なLUMO準位状態、および電子安定性を有し、優れた特性を示す効果がある。本明細書の化学式1の重合体は、溶解度に優れ、有機太陽電池を含めた有機電子素子において、溶液塗布法で適用可能であり、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。
本明細書の有機太陽電池は、光活性層が本明細書上の化合物、すなわち、前記化学式1で表されるヘテロ芳香族高分子化合物を含むことを除いては、当技術分野で知られている材料および方法で製造できる。
本明細書の一実施形態において、基板を用意するステップと、前記基板上に第1電極を形成するステップと、前記第1電極の上部に前記化学式1の重合体を含む光活性層を形成するステップと、前記光活性層の上部に第2電極を形成するステップとを含む、有機太陽電池の製造方法を提供する。
本明細書の一実施形態において、前記第1電極を形成するステップの後、前記光活性層を形成するステップの前に、前記第1電極の上部に正孔輸送層を形成するステップをさらに含む、有機太陽電池の製造方法を提供する。
本明細書の一実施形態にかかる有機太陽電池の製造方法は、基板を用意するステップと、前記基板上にアノードを形成するステップと、前記アノード上に光活性層を形成するステップと、前記光活性層上にカソードを形成するステップとを含む。
本明細書の一実施形態にかかる有機太陽電池の製造方法は、基板を用意するステップと、前記基板上にカソードを形成するステップと、前記カソード上に光活性層を形成するステップと、前記光活性層上にアノードを形成するステップとを含む。
本明細書の有機太陽電池は、例えば、基板上にアノード、光活性層およびカソードを順次に積層させることにより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。
前記化学式1のヘテロ芳香族高分子化合物の製造方法およびこれらを用いた有機太陽電池の製造を、下記の製造例、実施例、比較例および試験例で具体的に説明する。しかし、下記の製造例、実施例、比較例および試験例は、本明細書の一実施形態を例示するためのものであり、本明細書の一実施形態の範囲がこれらによって限定されるものではない。
<製造例1−A>モノマーの合成(4−ブロモ−7−(チオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(4−bromo−7−(thiophen−2−yl)2,1,3−benzothiadiazole)の製造)
[製造例1−A]
Figure 2015505868
本明細書の4,7−ジブロモ−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(4,7−dibromo−2,1,3−benzothiadiazole)は、文献(X.Li,W,Zeng,Y,Zhang,Q.Hou,W.Yang and Y.Cao,Eur.Plymer.U.,2005,41,2923−2933)を参照して製造した。
テトラヒドロフラン(THF)20mlに、4,7−ジブロモ−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(1g、3.40mmol)、2−チオフェンボロン酸(2−thiopheneboronic acid、0.435g、3.40mmol)、2M KCO水溶液、およびテトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0)(tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)、372mg、0.340mmol)を入れて溶かした後、還流下で撹拌した。24時間後、混合物を室温まで冷却してTHFを真空条件下で除去し、クロロホルム(Chloroform)で抽出した後、水で洗ってから、MgSOで残った水分を除去した。前記溶液をシリカゲルで濾過して触媒を除去した後、クロロホルムを除去し、メタノールとジクロロメタンで再結晶して黄色の固体0.6gを得た。
収率:59%
1H-NMR(500MHz, CDCl3): d(ppm) 8.08 (d, J = 3.0Hz, 1H), 7.84 (d, J = 8.0Hz, 1H), 7.71 (d, J = 7.5Hz, 1H), 7.47 (d, J = 4.0Hz, 8H), 7.20 (t, J = 9.0Hz, 1H)
MS:[M+H]=297
前記製造例1−Aで合成した4−ブロモ−7−(チオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾールの1H−NMRスペクトルを、図1に示した。
<製造例1−B>モノマーの合成(4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(4−bromo−7−(5−bromothiophen−2−yl−2,1,3−benzothiadiazole))の製造)
[製造例1−B]
Figure 2015505868
ジメチルホルムイミド(DMF)25mlに、4−ブロモ−7−(チオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(0.7g、2.36mmol)を入れて溶かした後、N−ブロモスクシンイミド(N−bromosuccinimide、1.26g、7.07mmol)を入れて12時間撹拌した。水を入れて生じた沈殿物を濾過し、前記溶液をアセトンで洗った後、溶媒を除去した。
収率:72%
1H-NMR(500 MHz, CDCl3): d (ppm) 7.84 (s, 1H), 7.78 (s, 1H), 7.63 (s, 1H), 7.15 (s, 1H)
MS:[M+H]=376
前記製造例1−Bの化合物である4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾールの1H−NMRスペクトルを、図2に示した。
前記製造例1−Bの化合物である4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾールのHPLC、MSスペクトルを、図3に示した。
<製造例1−C>モノマーの合成(2,5−ビス(トリメチルスタンニル)チオフェン(2,5−Bis(trimethylstannyl)thiophene)の合成))
[製造例1−c]
Figure 2015505868
200mlのテトラヒドロフラン(THF)に、2,5−ジブロモチオフェン(2,5−Dibromothiophene、9.68g、40.0mmol)を入れて溶かした後、−78℃まで温度を下げた。この温度で、ヘキサン(hexane)に溶けている1.6M n−BuLi(1.6M n−Butyllithium in hexane、55ml、88mmol)を徐々に入れて、1時間撹拌した。その後、THFに溶けている1Mトリメチルチンクロライド(1M Trimethyltinchloride in THF、100ml、100mmol)を一度に入れて常温に温度を上げた後、12時間撹拌した。この溶液を氷に注ぎ込み、ジエチルエーテル(Diethyl ether)で3回抽出した後、水で3回洗い、MgSO(Magnesium sulfate)で残った水を除去した。残った溶液を減圧下で溶媒を除去し、メタノール(Methanol)で再結晶して白い固体を得た。
収率:73.1%
前記製造例1−Cの化合物である2,5−ビス(トリメチルスタンニル)チオフェンのNMRスペクトルを、図10に示した。
<製造例1−D>モノマーの合成(4−ブロモ−7−(チオフェン−2−イル)−5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール(4−bromo−7−(thiophen−2−yl)−5,6−bis(octyloxy)benzo[c]−1,2,5−thiadiazole)の製造)
[製造例1−D]
Figure 2015505868
本明細書において、4,7−ジブロモ−5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール(4,7−Dibromo−5,6−bis(octyloxy)benzo[c]−1,2,5−thiadiazole)は、前の文献を参照して製造した。(Wonho Lee,Hyosung Choi,Sungu Hwang,Jin Young Kim and Han Young Woo,Chem.Eur.J.18,2012,2551−2558)
テトラヒドロフラン(THF)10mlに、2−(トリブチルスタンニル)チオフェン(2−(tributylstannyl)thiophene、3.39g、9.08mmol)、4,7−ジブロモ−5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール(4,7−Dibromo−5,6−bis(octyloxy)benzo[c]−1,2,5−thiadiazole、0.500g、9.08mmol)、トリ−(o−トリル)ホスフィン(Tri−(o−tolyl)phosphine、331mg)、およびPd(dba)(Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0)、249mg)を入れて溶かした後、還流下で撹拌した。24時間後、混合物を室温まで冷却してTHFを真空条件下で除去し、ジクロロメタン(Dichloromethane)で抽出した後、水で洗ってから、MgSOで残った水分を除去した。前記混合物をカラムクロマトグラフィーで精製して黄色の固体を得た。
収率:49%
前記製造例1−Dの化合物である4−ブロモ−7−(チオフェン−2−イル)−5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾールのMSスペクトルを、図11に示した。
<製造例1−E>モノマーの合成(4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−5,6−bis(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール(4−bromo−7−(5−bromothiophen−2−yl−5,6−bis(octyloxy)benzo[c]−1,2,5−thiadiazole)の製造)
[製造例1−E]
Figure 2015505868
ジメチルホルムイミド(DMF)30mlに、4−ブロモ−7−(チオフェン−2−イル)−5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール(4−bromo−7−(thiophen−2−yl)−5,6−bis(octyloxy)benzo[c]−1,2,5−thiadiazole,1.22g、2.19mmol)を入れて溶かした後、N−ブロモスクシンイミド(N−bromosuccinimide、0.429g、2.41mmol)を入れて、12時間撹拌する。混合物をジクロロメタン(Dichloromethane)で抽出し、水で洗った後、MgSOで残った水分を除去した。前記混合物をカラムクロマトグラフィーで精製して、黄色の固体を得た。
収率:67%
前記製造例1−Dの化合物である4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−5,6−bis(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾールのMSスペクトルを、図12に示した。
<製造例2>高分子の合成(ポリ(N−9−ヘプタデカニルカルバゾール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)2,1,3−ベンゾチアジアゾール)(poly(N−9−heptadecanylcarbazole−alt−4−(thiophene−2−yl)2,1,3,−benzothiadiazole))の製造)
[製造例2]
Figure 2015505868
[構造式1]
Figure 2015505868
[構造式7]
Figure 2015505868
本明細書において、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)−N,9−ヘプタデカニルカルバゾール(2,7−Bis(4,4,5,5−tetramethyl−1,3,2−dioxaborolan−2−yl)−N,9−heptadecanylcarbazole)は、文献を参照して製造した。(N.Blouin,A.Michaud,M.Leclerc,Adv.Mater.19,2007,2295−2300)
トルエン10ml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)−N,9−ヘプタデカニルカルバゾール(200mg、0.304mmol)、4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(114mg、0.304mmol)、2Mポタシウムカーボネート水溶液5ml、Pd(PPh5mgを入れて溶かした後、還流下で撹拌した。72時間後、混合物を室温まで冷却してメタノールを注いだ後、固体を濾過して、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殿させて固体を濾過した。
収率:51%
数平均分子量:32,100g/mol
重量平均分子量:58,200g/mol
前記製造例2の化合物であるポリ(N−9−ヘプタデカニルカルバゾール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)2,1,3−ベンゾチアジアゾール)のNMRスペクトルを、図4に示した。
<製造例3>高分子の合成(ポリ(4,4'−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2',3'−d]シロール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)2,1,3−ベンゾチアジアゾール)(poly(4,4'−bis(2−ethylhexyl)dithieno[3,2−b:2',3'−d]silole−alt−4−(thiophene−2−yl)2,1,3−benzothiadiazole))の製造)
[製造例3]
Figure 2015505868
[構造式2]
Figure 2015505868
[構造式8]
Figure 2015505868
本明細書において、4,4'−ビス(2−エチルヘキシル)−5,5'−ビス(トリメチルチン)ジチエノ[3,2−b:2',3'−d]シロール(4,4'−Bis(2−ethylhexyl)−5,5'−bis(trimethyltin)dithieno[3,2−b:2',3'−d]silole)は、文献を参照して製造した。(L.Hou,J.Hou,H.Y.Chen,S.Zhang,Y.Jiang,T.L.Chen,Y.Yang,Macromolecules42,2009,6564−6571)
トルエン40mlに、4,4'−ビス(2−エチルヘキシル)−5,5'−ビス(トリメチルチン)ジチエノ[3,2−b:2',3'−d]シロール(1.15g、1.55mmol)、4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−イル)−2,1,3−ベンゾチアジアゾール(583mg、1.55mmol)、Pd(PPh25mgを入れて溶かした後、還流下で撹拌した。72時間後、混合物を室温まで冷却してメタノールを注いだ後、固体を濾過して、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殿させて固体を濾過した。
収率:65%
数平均分子量:12,400g/mol
重量平均分子量:39,100g/mol
前記構造式1〜2の化合物のフィルム上のUV吸光スペクトルを、図6に示した。高分子は1wt%の濃度でクロロベンゼンに溶かして溶液を作り、これをガラス基板上にスピンコーティングしてサンプルを製作した。
前記構造式1〜2の化合物の電気化学測定結果(Cyclic voltammetry)を、図7に示した。高分子溶液を作業電極(working electrode)にドロップキャスティングしてフィルムを作り、電解質は0.1M B BuNBFをアセトニトリル(acetonitrile)に溶かして0.1Mの濃度で作ってから使用し、作業電極(working electrode)はガラス状カーボン(glassy carbon)、基準電極(reference electrode)はAg/AgCl、相対電極(counter electrode)はPtを用いて測定した。
<製造例4>高分子の合成(ポリ(N−9−ヘプタデカニルカルバゾール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)(poly(N−9−heptadecanylcarbazole−alt−4−(thiophene−2−yl)5,6−bis(octyloxy)benzo[c]−1,2,5−thiadiazole))の製造)
[製造例4]
Figure 2015505868
[構造式4]
Figure 2015505868
[構造式10]
Figure 2015505868
本明細書において、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)−N,9−ヘプタデカニルカルバゾール(2,7−Bis(4,4,5,5−tetramethyl−1,3,2−dioxaborolan−2−yl)−N,9−heptadecanylcarbazole)は、前の文献を参照して製造した。(N.Blouin,A.Michaud,M.Leclerc,Adv.Mater.19,2007,2295−2300)
トルエン10ml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)−N,9−ヘプタデカニルカルバゾール(416mg、0.632mmol)、4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−5,6−bis(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール(400mg、0.632mmol)、20wt%EtNOH水溶液6ml、Pd(PPh22mgを入れて溶かした後、還流下で撹拌した。72時間後、混合物を室温まで冷却してメタノールを注いだ後、固体を濾過して、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殿させて固体を濾過した。
収率:50%
数平均分子量:60,700g/mol
重量平均分子量:110,500g/mol
前記構造式4の化合物のフィルム上のUV吸光スペクトルを、図13に示した。高分子は1wt%の濃度でクロロベンゼンに溶かして溶液を作り、これをガラス基板上にスピンコーティングしてサンプルを製作した。
前記構造式4の化合物の電気化学測定結果(Cyclic voltammetry)を、図14に示した。高分子溶液を作業電極(working electrode)にドロップキャスティングしてフィルムを作り、電解質は0.1M B BuNBFをアセトニトリル(acetonitrile)に溶かして0.1Mの濃度で作ってから使用し、作業電極(working electrode)はガラス状カーボン(glassy carbon)、基準電極(reference electrode)はAg/AgCl、相対電極(counter electrode)はPtを用いて測定した。
<製造例5>高分子の合成(ポリ(4,8−ビス(2−エチルヘキシルオキシ)ベンゾ[1,2−b:4,5−b']ジチオフェン−2,6−ジイル−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)(poly(4,8−bis(2−ethylhexyloxy)benzo[1,2−bis:4,5−b']dithiophene−2,6−diyl−alt−4−(thiophene−2−yl)5,6−bis(octyloxy)benzo[c]−1,2,5−thiadiazole))の製造)
[製造例5]
Figure 2015505868
[構造式5]
Figure 2015505868
[構造式11]
Figure 2015505868
本明細書において、2,6−ビス(トリメチルチン)−4,8−ビス(2−エチルヘキシルオキシ)ベンゾ[1,2−b:4,5−b']ジチオフェン(2,6−Bis(trimethyltin)−4,8−bis(2−ethylhexyloxy)benzo[1,2−b:4,5−b']dithiophene)は、前の文献を参照して製造した。(P.Morvillo,F.Parenti,R.Diana,C.Fontanesi,A.Mucci,F.Tassinari,L.Schenetti,Solar Energy Materials&Solar Cells104,2012,45−52)
トルエン10mlに、2,6−ビス(トリメチルチン)−4,8−ビス(2−エチルヘキシルオキシ)ベンゾ[1,2−b:4,5−b']ジチオフェン(488mg、0.632mmol)、4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−5,6−bis(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール(400mg、0.632mmol)、Pd(PPh22mgを入れて溶かした後、還流下で撹拌した。72時間後、混合物を室温まで冷却してメタノールを注いだ後、固体を濾過して、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殿させて固体を濾過した。
収率:40%
数平均分子量:39,500g/mol
重量平均分子量:64,000g/mol
前記構造式5の化合物のフィルム上のUV吸光スペクトルを、図16に示した。高分子は1wt%の濃度でクロロベンゼンに溶かして溶液を作り、これをガラス基板上にスピンコーティングしてサンプルを製作した。
前記構造式5の化合物の電気化学測定結果(Cyclic voltammetry)を、図17に示した。高分子溶液を作業電極(working electrode)にドロップキャスティングしてフィルムを作り、電解質は0.1M B BuNBFをアセトニトリル(acetonitrile)に溶かして0.1Mの濃度で作ってから使用し、作業電極(working electrode)はガラス状カーボン(glassy carbon)、基準電極(reference electrode)はAg/AgCl、相対電極(counter electrode)はPtを用いて測定した。
<製造例6>高分子の合成(ポリ(チオフェン−2,5−イル−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)(poly(thiophene−2,5−yl)−alt−4−(thiophene−2−yl)5,6−bis(octyloxy)benzo[c]−1,2,5−thiadiazole))の製造)
[製造例6]
Figure 2015505868
[構造式6]
Figure 2015505868
[構造式12]
Figure 2015505868
トルエン10mlに、2,5−ビス(トリメチルスタンニル)チオフェン(259mg、0.632mmol)、4−ブロモ−7−(5−ブロモチオフェン−2−イル)−5,6−bis(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール(400mg、0.632mmol)、Pd(PPh22mgを入れて溶かした後、還流下で撹拌した。72時間後、混合物を室温まで冷却してメタノールを注いだ後、固体を濾過して、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殿させて固体を濾過した。
収率:53%
数平均分子量:22,500g/mol
重量平均分子量:58,000g/mol
前記構造式6の化合物のフィルム上のUV吸光スペクトルを、図19に示した。高分子は1wt%の濃度でクロロベンゼンに溶かして溶液を作り、これをガラス基板上にスピンコーティングしてサンプルを製作した。
前記構造式6の化合物の電気化学測定結果(Cyclic voltammetry)を、図10に示した。高分子溶液を作業電極(working electrode)にドロップキャスティングしてフィルムを作り、電解質は0.1M B BuNBFをアセトニトリル(acetonitrile)に溶かして0.1Mの濃度で作ってから使用し、作業電極(working electrode)はガラス状カーボン(glassy carbon)、基準電極(reference electrode)はAg/AgCl、相対電極(counter electrode)はPtを用いて測定した。
<実施例1>有機太陽電池の製造
前記製造例2で製造した高分子とPC61BMを1:4の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板を蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を、0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<実施例2>有機太陽電池の製造
前記製造例2で製造した高分子とPC71BMを1:4の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板は蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<実施例3>有機太陽電池の製造
前記製造例3で製造した高分子とPC61BMを1:4の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板は蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<実施例4>有機太陽電池の製造
前記製造例3で製造した高分子とPC71BMを1:4の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板は蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<実施例5>有機太陽電池の製造
前記製造例4で製造した高分子とPC61BMを1:4の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板は蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<実施例6>有機太陽電池の製造
前記製造例5で製造した高分子とPC61BMを1:4の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板は蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<実施例7>有機太陽電池の製造
前記製造例6で製造した高分子とPC61BMを1:4の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板は蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<比較例1>有機太陽電池の製造
P3HT(poly(3−hexylthiophene)とPC61BMを1:1の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板は蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<比較例2>有機太陽電池の製造
P3HT(poly(3−hexylthiophene)とPC71BMを1:1の割合で1,2−ジクロロベンゼン(1,2−dichlorobenzene、DCB)に溶かして複合溶液(composit solution)を製造した。この時、濃度は1.0〜2.0wt%に調節し、有機太陽電池の構造はITO/PEDOT:PSS/光活性層/LiF/Alの構造とした。ITOのコーティングされたガラス基板は蒸留水、アセトン、2−プロパノールを用いて超音波洗浄し、ITO表面を10分間オゾン処理した後、PEDOT:PSS(baytrom P)をスピンコーティングして、120℃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−PCBM複合溶液を0.45μmのPP注射器フィルタ(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7Å蒸着した後、200nmの厚さにAlを蒸着した。
<試験例1>有機太陽電池の試験
前記実施例1〜7および比較例1〜2で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、下記の表1にその結果を示した。
Figure 2015505868
前記構造式1〜2の化合物とPC61BMまたはPC71BMを用いて製造した有機太陽電池を、図7に示した。
前記製造例2の化合物であるポリ(N−9−ヘプタデカニルカルバゾール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)2,1,3−ベンゾチアジアゾール)を含む、実施例1および実施例2で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを、図8に示した。
前記製造例3の化合物であるポリ(4,4'−ビス(2−エチルヘキシル)ジチエノ[3,2−b:2',3'−d]シロール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)2,1,3−ベンゾチアジアゾール)を含む、実施例3および実施例4で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを、図9に示した。
前記製造例4の化合物であるポリ(N−9−ヘプタデカニルカルバゾール−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)を含む、実施例5で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを、図15に示した。
前記製造例5の化合物であるポリ(4,8−ビス(2−エチルヘキシルオキシ)ベンゾ[1,2−b:4,5−b']ジチオフェン−2,6−ジイル−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)を含む、実施例6で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを、図18に示した。
前記製造例6の化合物であるポリ(チオフェン−2,5−イル−アルト−4−(チオフェン−2−イル)5,6−ビス(オクチルオキシ)ベンゾ[c]−1,2,5−チアジアゾール)を含む、実施例7で製造した有機太陽電池のI−Vカーブを、図21に示した。
本明細書の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本明細書の範疇内で多様な応用および変形を行うことが可能である。
以上、本明細書の特定の部分を詳細に述べたが、当業界における通常の知識を有する者にとってこのような具体的な技術は単に好ましい実施形態に過ぎず、これによって本明細書の範囲が制限されるわけではないことは自明である。したがって、本明細書の実質的な範囲は、添付した請求項とその等価物によって定義される。

Claims (15)

  1. 下記の化学式1の単位を含み、
    数平均分子量が10,000以上1,000,000以下であることを特徴とする、重合体。
    [化学式1]
    Figure 2015505868
    前記化学式1において、
    前記Lは、下記の化学式2、化学式3および化学式4を含み、
    nは、2〜100,000の整数であり、
    [化学式2]
    Figure 2015505868
    [化学式3]
    Figure 2015505868
    化学式2および化学式3において、
    〜Rは、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトロ基;ニトリル基;イミド基;アミド基(−CONXであり、XおよびXは、互いに同一または異なっていてもよく、それぞれ独立に、水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);ヒドロキシ基;エステル基(−COOXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);カルボニル基(−COXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基;置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基;置換もしくは非置換の炭素数2〜25のアルケニル基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチオフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のセレノフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のピロール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチアゾール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリールアミン基;および炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリール基からなる群より選択され、
    [化学式4]
    Figure 2015505868
    前記化学式4において、
    前記Aは、下記の化学式5〜13のうちの1または2以上が連結されたものであり、
    [化学式5]
    Figure 2015505868
    [化学式6]
    Figure 2015505868
    化学式7]
    Figure 2015505868
    [化学式8]
    Figure 2015505868
    [化学式9]
    Figure 2015505868
    [化学式10]
    Figure 2015505868
    [化学式11]
    Figure 2015505868
    [化学式12]
    Figure 2015505868
    [化学式13]
    Figure 2015505868
    前記化学式5〜13において、
    d、e、fおよびgは、それぞれ0〜3の整数であり、
    hおよびiは、それぞれ0〜6の整数であり、
    〜Xは、それぞれ独立に、CR'R''、SiR'R''、GeR'R''、NR'、PR'、O、SおよびSeからなる群より選択され、
    およびYは、それぞれ独立に、CR'、SiR'、GeR'、NおよびPからなる群より選択され、
    Zは、SiR'R''、GeR'R''、NR'、PR'、O、SおよびSeからなる群より選択され、
    〜R24、R'、R''およびR'''は、それぞれ独立に、水素;重水素;ハロゲン基;ニトロ基;ニトリル基;イミド基;アミド基(−CONXであり、XおよびXは、互いに同一または異なっていてもよく、それぞれ独立に、水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);ヒドロキシ基;エステル基(−COOXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);カルボニル基(−COXであり、Xは、置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜25のアリール基);置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルキル基;置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基;置換もしくは非置換の炭素数2〜25のアルケニル基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチオフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のセレノフェン基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のピロール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のチアゾール基;炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリールアミン基;および炭素数1〜25のアルキル基、または炭素数1〜25のアルコキシ基で置換もしくは非置換のアリール基からなる群より選択され、
    a、bおよびcは、それぞれ独立に、化学式2〜化学式4のモル分率を示し、
    aは、0<a≦0.45の実数であり、
    bは、0<b≦0.45の実数であり、
    cは、0.1≦c<1の実数であり、
    a+b+c=1である。
  2. 前記化学式1は、下記の化学式14または下記の化学式15であることを特徴とする、請求項1に記載の重合体。
    [化学式14]
    Figure 2015505868
    [化学式15]
    Figure 2015505868
    化学式14または15において、
    前記A、R〜R、a、b、cおよびnの定義は、前記化学式1〜化学式4の定義と同じである。
  3. 前記RおよびRは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素;または置換もしくは非置換の炭素数1〜25のアルコキシ基であることを特徴とする、請求項1に記載の重合体。
  4. 前記nは、30〜100の整数であることを特徴とする、請求項1に記載の重合体。
  5. 前記重合体の分子量分布は、1〜100であることを特徴とする、請求項1に記載の重合体。
  6. 前記重合体の末端基は、ヘテロ芳香族基、芳香族基またはハロゲン置換アルキル基であることを特徴とする、請求項1に記載の重合体。
  7. 前記化学式1は、下記の構造式1〜14のいずれか1つであることを特徴とする、請求項1に記載の重合体。
    [構造式1]
    Figure 2015505868
    [構造式2]
    Figure 2015505868
    [構造式3]
    Figure 2015505868
    [構造式4]
    Figure 2015505868
    [構造式5]
    Figure 2015505868
    [構造式6]
    Figure 2015505868
    [構造式7]
    Figure 2015505868
    [構造式8]
    Figure 2015505868
    [構造式9]
    Figure 2015505868
    [構造式10]
    Figure 2015505868
    [構造式11]
    Figure 2015505868
    [構造式12]
    Figure 2015505868
    [構造式13]
    Figure 2015505868
    [構造式14]
    Figure 2015505868
    構造式1〜14において、
    前記a、b、cおよびnの定義は、化学式1〜化学式4で定義したのと同じである。
  8. 第1電極、第2電極、および1層以上の光活性層を含み、前記光活性層のうちの1層以上は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の重合体を含むことを特徴とする、有機太陽電池。
  9. 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を特徴とする、請求項8に記載の有機太陽電池。
  10. 前記電子供与体物質は、重合体を含むことを特徴とする、請求項9に記載の有機太陽電池。
  11. 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、半導体性元素および半導体性化合物からなる群より選択された1つまたは2つ以上を含むことを特徴とする、請求項9に記載の有機太陽電池。
  12. 前記有機太陽電池は、電子輸送層および正孔輸送層のうちの1つ以上をさらに含むことを特徴とする、請求項8に記載の有機太陽電池。
  13. 前記電子輸送層および正孔輸送層のうちの1つ以上は、重合体を含むことを特徴とする、請求項12に記載の有機太陽電池。
  14. 基板を用意するステップと、
    前記基板の上部に第1電極を形成するステップと、
    前記第1電極の上部に、請求項1〜7のいずれか1項に記載の重合体を含む光活性層を形成するステップと、
    前記光活性層の上部に第2電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、有機太陽電池の製造方法。
  15. 前記第1電極を形成するステップの後、前記光活性層を形成するステップの前に、前記第1電極の上部に正孔輸送層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項14に記載の有機太陽電池の製造方法。
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