JP2020515058A - 有機太陽電池の製造方法およびこれを用いて製造された有機太陽電池 - Google Patents

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Abstract

本出願の一実施態様に係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、前記基板上に第１電極を形成するステップと、前記第１電極上に光活性層を形成するステップと、前記光活性層を０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥するステップと、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。

Description

本出願は、２０１８年３月６日付で韓国特許庁に出願された韓国特許出願第１０−２０１８−００２６２８９号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。
本出願は、有機太陽電池の製造方法およびこれを用いて製造された有機太陽電池に関する。
世界的に太陽電池市場の約９０％がシリコン材料をベースとする太陽電池である。シリコン太陽電池は、材料費と作製単価が高いことから、原子力発電、火力発電のように、大規模に電気を発電させるにはまだ限界を示している。このようなシリコン系の太陽電池の問題を解決するための方策として有機物を用いた太陽電池素子が注目されるが、これは、有機太陽電池がより安価に素子を生産できるという利点があるからである。
有機太陽電池は、大きく、アノード（ａｎｏｄｅ）と光活性層、カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）から構成されている。一般的に、光活性層に有機物が使用され、アノードとカソードは、それぞれインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ；ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）とアルミニウム（Ａｌ）が主に使用されるが、現在、全世界的にアノードおよびカソード電極材料まで有機物質に代替しようとする研究が活発である。また、ローバンドギャップ（ｌｏｗ ｂａｎｄ−ｇａｐ）を有する新規有機高分子の研究成果によってエネルギー変換効率が次第に増加する傾向にある。
一般的に、有機太陽電池は、アノード電極／正孔伝達層／光活性層／電子輸送層／カソード電極から構成された構造において、前記光活性層の形成方法は、大きく、電子供与体と電子受容体を真空雰囲気で蒸着法で薄膜を製造する方法と、溶液工程を用いて薄膜を製造する方法と、の２つに分類される。さらに詳細には、蒸着を利用する方法は、電子供与体と電子受容体をすべて単分子を用いるのに対し、溶液工程を用いる方法は、一般的に、電子供与体として高分子を使用し、電子受容体としては高分子、フラーレン誘導体、ペリレン誘導体、量子ドット無機ナノ粒子などを使用する。したがって、単分子を蒸着して使用する場合よりも、高分子を使用した溶液工程を用いると、真空技術を必要とせず、大面積の素子を安価に大量生産できるため、最近は、高分子を用いた溶液工程の方に研究の重さが集中している。
本出願は、有機太陽電池の製造方法およびこれを用いて製造された有機太陽電池を提供しようとする。
本出願の一実施態様は、
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電極上に光活性層を形成するステップと、
前記光活性層を０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥するステップと、
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。
また、本出願の他の実施態様は、前記有機太陽電池の製造方法によって製造された有機太陽電池を提供する。
本出願の一実施態様に係る有機太陽電池の製造方法によれば、バー、スロットダイなどで形成された光活性層の乾燥を最適化して、電子供与体と電子受容体との間の適切な相分離を誘導することができる。
また、本出願の一実施態様に係る有機太陽電池の製造方法によって製造された有機太陽電池は、エネルギー変換効率に優れた効果を有する。
本出願の一実施態様に係る有機太陽電池を概略的に示す図である。 本出願の一実施態様として、光活性層を乾燥するステップを概略的に示す図である。
以下、本出願についてより詳細に説明する。
本明細書において、ある部材が他の部材の「上に」位置しているとする時、これは、ある部材が他の部材に接している場合のみならず、２つの部材の間にさらに他の部材が存在する場合も含む。
本明細書において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
本明細書において、「単位」とは、重合体の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した構造を意味する。
本明細書において、「単位を含む」の意味は、重合体内の主鎖に含まれるとの意味である。
本明細書において、エネルギー準位は、エネルギーの大きさを意味するものである。したがって、真空準位からマイナス（−）方向にエネルギー準位が表示される場合にも、エネルギー準位は、該当エネルギー値の絶対値を意味すると解釈される。例えば、ＨＯＭＯエネルギー準位とは、真空準位から最高占有分子オービタル（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）までの距離を意味する。また、ＬＵＭＯエネルギー準位とは、真空準位から最低非占有分子オービタル（ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）までの距離を意味する。
有機太陽電池は、軽くて柔軟であり、多様な色を実現できるため、多くで研究が進められているが、ほとんどがスピンコーティング（ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｉｎｇ）を利用する単位素子（９ｍｍ２）の作製にとどまっている。このようなスピンコーティング（ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｉｎｇ）と大面積コーティング方式であるスロットダイ（ｓｌｏｔ−ｄｉｅ）、バー（ｂａｒ）、インクジェット（ｉｎｋ−ｊｅｔ）などは、光活性層の乾燥方式において基本的に大きな相違がある。
大面積コーティング方法では、ほとんど光活性層を大気中で自然乾燥したり、熱を利用して乾燥し、乾燥方式よりは乾燥後熱処理に集中した。また、粘度の低い単分子Ｄｏｎｏｒ：ＰＣＢＭおよび最適な光活性層の厚さが１００ｎｍ以下の特性を有する高分子Ｄｏｎｏｒ：ＩＴＩＣの組み合わせでは、スピンコーティング（ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｉｎｇ）ではない方式でモジュール（ｍｏｄｕｌｅ）を作製するのに困難がある。
そこで、本出願では、大面積コーティングで用いられるバー（Ｂａｒ）、スロットダイ（Ｓｌｏｔ−ｄｉｅ）などで形成された光活性層の乾燥を最適化して、高効率の有機太陽電池モジュール（ｍｏｄｕｌｅ）を製造しようとした。
本出願の一実施態様に係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、前記基板上に第１電極を形成するステップと、前記第１電極上に光活性層を形成するステップと、前記光活性層を０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥するステップと、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。
本出願の一実施態様によれば、有機太陽電池の光活性層のモルフォロジーを調節するために、前記光活性層を０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥するステップを含む。
有機太陽電池は、光活性層に光を付与すると、エキシトンが生成され、拡散によって電子供与物質、電子受容物質の接合位置にエキシトンが移動する。電子供与体および電子受容体の界面に移動したエキシトンは、それぞれ電子と正孔に分離され、電荷が電極に輸送されながら電力が発生する。
本明細書の一実施態様によれば、前記光活性層の電子供与体と電子受容体は、バルクヘテロジャンクション（ＢＨＪ）をなす。
バルクヘテロジャンクション素子の場合、電子供与体と電子受容体とが完全ランダムに混ざると、エキシトンの電荷への分離は非常に効果的であるが、これらの分離された電荷がそれぞれの電極に移動する時、再結合の可能性が生じる問題点がある。すなわち、エキシトンのボトルネック現象を解消しかつ、分離された電荷の再結合の可能性を最小化するために、バルクヘテロジャンクション構造において電子供与体と電子受容体との間の相互作用をする表面積は高めるが、適切な相分離によって電子と正孔それぞれの輸送が円滑に行われる必要がある。
前記適切な相分離は、光活性層のモルフォロジー制御により調節可能である。
従来は、光活性層のモルフォロジー制御のために、乾燥後熱処理工程を行っていた。しかし、この場合、熱処理が高温で行われるため、基板自体の損傷や光活性層損傷の問題があり、追加の工程を行うことにより費用が増加する問題点があった。
本出願の一実施態様に係る光活性層の乾燥方法によれば、追加の工程なしに、乾燥工程だけでも光活性層のモルフォロジー制御が可能で、光活性層の損傷が少ないという利点がある。
また、従来の熱風を利用した乾燥工程の場合、ガスが注入される間に、ガスの風量によって光活性層の表面から乾燥して光活性層が均一に乾燥しない問題点があった。
本出願の一実施態様によれば、前記光活性層を乾燥するステップが、０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥するステップを含むことにより、光活性層のモルフォロジーおよび界面を効果的に制御することができる。
本出願の一実施態様において、前記光活性層を乾燥するステップは、前記光活性層を風で乾燥するステップを含むことができ、この時、前記風の強さは、０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａであってもよく、０．０３Ｍｐａ〜０．０５Ｍｐａであることがより好ましい。有機太陽電池は、電子供与体（Ｄｏｎｏｒ）と電子受容体（ａｃｃｅｐｔｏｒ）とが適切にバルクヘテロジャンクション（ＢＨＪ）形態で混ざっていなければならないが、コーティングされた溶液が乾燥する時に形成されるモルフォロジー（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）が風乾燥の強さに応じて影響を受ける。本出願の一実施態様において、前記風で乾燥するステップの風の強さが０．０１Ｍｐａ未満の場合には、乾燥時間が増加して物質のドメイン（ｄｏｍａｉｎ）サイズが大きくなり、０．０７Ｍｐａを超える場合には、２つの物質が適切なドメイン（ｄｏｍａｉｎ）サイズを形成できないという欠点が発生しうる。また、各ドメイン（ｄｏｍａｉｎ）サイズだけでなく、各物質の分子結晶性も電子または正孔のモビリティー（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）に影響を与えるので重要であるが、これも風で乾燥するステップの風の強さが０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａを満足する場合に優れた効果を得ることができる。
本出願の一実施態様において、前記光活性層を風力で乾燥するステップは、光活性層の表面として０．２ｃｍ〜５ｃｍの高さから、好ましくは１ｃｍ〜３ｃｍの高さから光活性層の表面に均一に風を吹き付ける装備を用いて行うことができる。この時、温度は２２℃〜２７℃であり、湿度は２０％〜３５％であってもよいが、これにのみ限定されるものではない。
本出願の一実施態様において、前記風の方向は、上から下方向、または基板を基準として４５度〜９０度の角度であってもよい。また、本出願の一実施態様において、前記風は、水分が含まれていない窒素またはエアを用いることができ、前記光活性層を風で乾燥するステップにおいて、空間的な条件は別途に限定されない。
本出願の一実施態様において、前記光活性層を風で乾燥するステップは、エアレギュレータを用いることができ、前記０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風の強さは、エアレギュレータの圧力を利用して制御することができる。
本出願の一実施態様として、光活性層を乾燥するステップを、下記の図２に概略的に示した。
本出願の一実施態様によれば、前記光活性層を形成するステップは、スロットダイ、バーコーター、ドクターブレード、またはディップコーティングを利用することができる。本出願の一実施態様によれば、前記のようにスロットダイ、バーコーター、ドクターブレード、またはディップコーティングを利用して光活性層を形成可能なため、大面積の有機太陽電池を再現性あるように生産できるという特徴がある。
特に、本出願の一実施態様によれば、前記光活性層が単分子化合物の電子供与体とフラーレン系化合物の電子受容体とを含むか、前記光活性層が高分子化合物の電子供与体と非フラーレン系化合物の電子受容体とを含むことが好ましい。この場合に、スピンコーティングを除いた大面積コーティング方法と、前述した０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥する方法とで光活性層を形成する場合に、エネルギー変換効率に優れた有機太陽電池を製造することができる。
本出願の一実施態様において、前記光活性層は、電子供与体および電子受容体を含み、前記電子供与体は、単分子化合物を含み、前記電子受容体は、フラーレン系化合物を含むことができる。この時、前記単分子化合物は、下記化学式１で表される化合物を含むことができる。
［化学式１］
前記化学式１において、
ｍ１、ｍ２、ｎ１およびｎ２は、それぞれ１〜３の整数であり、
ｍ１、ｍ２、ｎ１およびｎ２がそれぞれ２以上の場合、２以上の大括弧内の構造は、互いに同一または異なり、
Ｌ２およびＬ３は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、直接結合；または２価の連結基であり、
Ｒ１〜Ｒ１２およびＲ２１〜Ｒ２８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；またはＮ、Ｏ、および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であり、
Ｇ１およびＧ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換の分枝鎖のアルキル基であり、
Ａ１およびＡ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、電子受容体として作用する構造である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、Ａ１およびＡ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、下記の構造のうちのいずれか１つである。
前記構造において、
ａは、１〜７の整数であり、
ｂおよびｃは、それぞれ１〜４の整数であり、
ａが２以上の場合、２以上のＲ１５は、互いに同一または異なり、
ｂが２以上の場合、２以上のＲ１６は、互いに同一または異なり、
ｃが２以上の場合、２以上のＲ１７は、互いに同一または異なり、
Ｒ１４〜Ｒ２０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；またはＮ、Ｏ、および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である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、Ｒ１〜Ｒ１２およびＲ２１〜Ｒ２８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直鎖もしくは分枝鎖のアルキル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、前記Ｒ１〜Ｒ１２およびＲ２１〜Ｒ２８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１〜３０の直鎖もしくは分枝鎖のアルキル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、前記Ｒ１〜Ｒ１２およびＲ２１〜Ｒ２８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１〜２０の直鎖もしくは分枝鎖のアルキル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、前記Ｒ１〜Ｒ１２およびＲ２１〜Ｒ２８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１〜１０の直鎖もしくは分枝鎖のアルキル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、前記Ｒ１〜Ｒ１２およびＲ２１〜Ｒ２８は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素；置換もしくは非置換のオクチル基；または置換もしくは非置換の２−エチルヘキシル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、前記Ｒ１〜Ｒ１２およびＲ２１〜Ｒ２８は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素；オクチル基；または２−エチルヘキシル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、前記Ｒ４、Ｒ８、Ｒ２４およびＲ２８は、２−エチルヘキシル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、前記Ｒ９〜Ｒ１２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素；またはオクチル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、前記Ａ１およびＡ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、
であり、Ｒ１４は、置換もしくは非置換の直鎖もしくは分枝鎖のアルキル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、Ｇ１およびＧ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換の炭素数３〜１０の分枝鎖のアルキル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、Ｇ１およびＧ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換の２−エチルヘキシル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１において、Ｇ１およびＧ２は、２−エチルヘキシル基である。
本出願の一実施態様によれば、前記化学式１は、下記化学式１−１で表されてもよい。
［化学式１−１］
本出願の一実施態様において、前記光活性層は、電子供与体および電子受容体を含み、前記電子供与体は、単分子化合物を含み、前記電子受容体は、フラーレン系化合物を含むことができる。この時、前記単分子化合物は、下記化学式２で表される化合物を含むことができる。
［化学式２］
化学式２において、
ｎ１〜ｎ４は、それぞれ１〜３の整数であり、
ｎ１〜ｎ４がそれぞれ２以上の場合、２以上の括弧内の構造は、互いに同一または異なり、
Ｘ１〜Ｘ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲＲ'、ＮＲ、Ｏ、ＳｉＲＲ'、ＰＲ、Ｓ、ＧｅＲＲ'、Ｓｅ、またはＴｅであり、
Ｙ１〜Ｙ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲ"、Ｎ、ＳｉＲ"、Ｐ、またはＧｅＲ"であり、
Ｒ、Ｒ'、Ｒ"、Ｒ１〜Ｒ８およびＲ１０〜Ｒ１３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；または置換もしくは非置換のヘテロ環基であり、
［Ｐｕｓｈ］は、電子供与体として作用する構造で、下記の構造のうちのいずれか１つであり、
ｃおよびｃ'は、それぞれ１〜３の整数であり、
ｃが２以上の場合、２以上のＲ１００は、互いに同一または異なり、
ｃ'が２以上の場合、２以上のＲ１０１は、互いに同一または異なり、
Ｘ１０〜Ｘ１３は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲａＲｂ、ＮＲａ、Ｏ、ＳｉＲａＲｂ、ＰＲａ、Ｓ、ＧｅＲａＲｂ、Ｓｅ、またはＴｅであり、
Ｙ１０およびＹ１１は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲｃ、Ｎ、ＳｉＲｃ、Ｐ、またはＧｅＲｃであり、
Ｒａ、Ｒｂ、ＲｃおよびＲ１００〜Ｒ１０３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；または置換もしくは非置換のヘテロ環基であり、
Ａｒ１およびＡｒ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、下記の構造のうちのいずれか１つであり、
前記構造において、
ａは、１〜７の整数であり、
ｂおよびｃは、それぞれ１〜４の整数であり、
ａが２以上の場合、２以上のＲ１５は、互いに同一または異なり、
ｂが２以上の場合、２以上のＲ１６は、互いに同一または異なり、
ｃが２以上の場合、２以上のＲ１７は、互いに同一または異なり、
Ｒ１４〜Ｒ２０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；または置換もしくは非置換のヘテロ環基である。
本出願の一実施態様において、前記化学式２において、前記［Ｐｕｓｈ］は、
である。
本出願の一実施態様において、前記化学式２において、前記［Ｐｕｓｈ］は、
である。
本出願の一実施態様において、前記化学式２で表される化合物は、下記化学式２−１または化学式２−２で表されてもよい。
［化学式２−１］
［化学式２−２］
前記化学式２−１および２−２において、
ｎ１〜ｎ４、Ｘ１〜Ｘ４、Ｙ１〜Ｙ４、Ｒ１〜Ｒ８、Ｒ１０〜Ｒ１３およびＡｒ１およびＡｒ２は、化学式２で定義したものと同じであり、
ｃおよびｃ'は、それぞれ１〜３の整数であり、
ｃが２以上の場合、２以上のＲ１００は、互いに同一または異なり、
ｃ'が２以上の場合、２以上のＲ１０１は、互いに同一または異なり、
Ｘ１０〜Ｘ１３は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲａＲｂ、ＮＲａ、Ｏ、ＳｉＲａＲｂ、ＰＲａ、Ｓ、ＧｅＲａＲｂ、Ｓｅ、またはＴｅであり、
Ｙ１０およびＹ１１は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲｃ、Ｎ、ＳｉＲｃ、Ｐ、またはＧｅＲｃであり、
Ｒａ、Ｒｂ、ＲｃおよびＲ１００〜Ｒ１０３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；または置換もしくは非置換のヘテロ環基である。
本出願の一実施態様において、前記化学式２で表される化合物は、下記化学式２−１−１または下記化学式２−１−２で表されてもよい。
［化学式２−１−１］
［化学式２−１−２］
本出願の一実施態様において、前記光活性層は、電子供与体および電子受容体を含み、前記電子供与体は、高分子化合物を含み、前記電子受容体は、非フラーレン系化合物を含むことができる。この時、前記高分子化合物は、下記化学式３で表される第１単位；下記化学式４で表される第２単位；および下記化学式５で表される第３単位を含む重合体を含むことができる。
［化学式３］
［化学式４］
［化学式５］
前記化学式３〜５において、
Ｘ１〜Ｘ５は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲＲ'、ＮＲ、Ｏ、ＳｉＲＲ'、ＰＲ、Ｓ、ＧｅＲＲ'、Ｓｅ、およびＴｅからなる群より選択され、
Ｙ１〜Ｙ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲ"、Ｎ、ＳｉＲ"、Ｐ、およびＧｅＲ"からなる群より選択され、
Ｒ、Ｒ'、Ｒ"、Ｑ１〜Ｑ４、Ｒ１〜Ｒ４、Ｒ１０およびＲ１１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；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ケニル基；置換もしくは非置換のアミン基；置換もしくは非置換のアリール基；または置換もしくは非置換のヘテロ環基であり、
Ｒ２０およびＲ２１は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換のアルコキシ基；または置換もしくは非置換のアリールオキシ基であり、
ａ、ｂ、ｄおよびｅは、それぞれ０〜３の整数であり、
ａ、ｂ、ｄまたはｅが２以上の場合、２以上の括弧内の構造は、互いに同一または異なり、
Ａ１〜Ａ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素、フッ素、または塩素であり、前記Ａ１〜Ａ４のうちの少なくとも１つは、フッ素または塩素である。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、前記化学式３で表される第１単位を含む。
本出願の一実施態様において、前記化学式３のＡ１〜Ａ４のうちの２個の基は、フッ素または塩素であり、互いにベンゼン環の対向する位置、すなわちパラ位置に置換されていてもよい。この場合、前記第１単位のフッ素または塩素は、第１単位のチオフェンのＳ原子と互いに相互作用をしたり、前記第２単位のＸ１および／またはＸ２と互いに相互作用をして、重合体の平面性が増加する。
本明細書において、相互作用とは、化学構造または化学構造を構成する原子が互いに共有結合以外の作用によって影響のやり取りをする非共有結合性の相互作用をすることを意味し、例えば、カルコゲン（ｃｈａｌｃｏｇｅｎ）結合を意味することができる。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、単位内または隣り合っている他の単位と非共有結合性の相互作用により、重合体のバックボーン（ｂａｃｋｂｏｎｅ）のねじれ角（ｔｏｒｓｉｏｎ ａｎｇｌｅ）を最小化させて、重合体の平面性が向上できる。また、非共有結合性の相互作用は、パイ−パイスタッキング（π−π ｓｔａｃｋｉｎｇ）を向上させて、ポーラロン（ｐｏｌａｒｏｎ）とエキシトン（ｅｘｉｔｏｎ）の非偏在化（ｄｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）によって、電荷移動度が向上し、パッキング（ｐａｃｋｉｎｇ）が容易である効果がある。
したがって、本出願の一実施態様に係る高分子化合物を含む場合には、フィルファクター（ＦＦ）の増加を誘導可能で、高い効率の素子を提供することができる。
本出願の一実施態様において、前記化学式３のＡ１〜Ａ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素、フッ素、または塩素であり、Ａ１〜Ａ４のうちの少なくとも１つは、フッ素または塩素である。前記Ａ１〜Ａ４のうちの２個の基は、フッ素または塩素であり、前記２個の基は、ベンゼン環に対して互いにパラ位置に存在してもよい。
本出願の一実施態様において、前記化学式４で表される第２単位は、下記化学式４−１で表されてもよい。
［化学式４−１］
前記化学式４−１において、
Ｒ１２およびＲ１３は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、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アルコキシ基；置換もしくは非置換のアリール基；または置換もしくは非置換のヘテロ環基である。
本出願の一実施態様において、前記化学式４で表される第２単位は、下記化学式４−２で表されてもよい。
［化学式４−２］
前記化学式４−２において、
Ｒ１４およびＲ１５は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換のアルキル基；または置換もしくは非置換のアルコキシ基である。
本出願の一実施態様において、前記化学式５で表される第３単位は、下記化学式５−１または化学式５−２で表されてもよい。
［化学式５−１］
［化学式５−２］
前記化学式５−１および化学式５−２において、
Ｒ２０およびＲ２１は、前記化学式５で定義したものと同じである。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、下記化学式６で表される単位を含むことができる。
［化学式６］
前記化学式６において、
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の実数であり、
ｌ＋ｍ＝１であり、
Ａは、前記化学式１で表される第１単位であり、
Ｂは、前記化学式２で表される第２単位であり、
ＣおよびＣ'は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、前記化学式３で表される第３単位であり、
ｎは、単位の繰り返し数であって、１〜１０，０００の整数である。
本出願の一実施態様において、前記化学式６のＡは、前記化学式３で表される第１単位であり、ａおよびｂは、それぞれ独立に、１〜３の整数である。
また、本出願の一実施態様において、前記化学式６のＡは、前記化学式３で表される第１単位であり、ａおよびｂは、１である。
本出願の一実施態様において、前記化学式６のＢは、前記化学式４−２で表される第２単位である。
本出願の一実施態様において、前記化学式６のＣおよびＣ'は、前記化学式５−１で表される第３単位である。
また、本出願の一実施態様において、前記化学式５で表される第３単位は、Ｒ２０およびＲ２１を含むことにより、Ｒ２０およびＲ２１のＯ原子；化学式３で表される第１単位のフッ素または塩素；および化学式４で表される第２単位のＳ原子が互いに相互作用により平面構造（ｐｌａｎａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成することができる。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、下記化学式７で表される単位を含むことができる。
［化学式７］
前記化学式７において、
Ｒ２７〜Ｒ３０は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換のアルキル基；または置換もしくは非置換のアリール基であり、
Ｒ３１〜Ｒ４２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アルキル基であり、
Ａ１およびＡ４は、前記化学式１で定義したものと同じであり、
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の実数であり、
ｌ＋ｍ＝１であり、
ｎは、単位の繰り返し数であって、１〜１０，０００の整数である。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、下記化学式７−１で表される単位を含むことができる。
［化学式７−１］
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、下記化学式８または９で表される単位を含むことができる。
［化学式８］
［化学式９］
化学式７−１、８および９において、ｌ、ｍおよびｎは、前記化学式７で定義したものと同じである。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、ランダム重合体である。ランダム重合体の場合、溶解度が向上して、素子の製造工程上、時間費用的に経済的な効果がある。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物の末端基は、置換もしくは非置換のヘテロ環基、または置換もしくは非置換のアリール基である。本出願の一実施態様において、前記高分子化合物の末端基は、４−（トリフルオロメチル）フェニル（４−（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈｙｌ）ｐｈｅｎｙｌ）基である。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物の末端基は、ブロモ−チオフェン（ｂｒｏｍｏ−ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）基である。もう一つの実施態様において、前記高分子化合物の末端基は、トリフルオロ−ベンゼン（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏ−ｂｅｎｚｅｎｅ）基である。
本出願の一実施態様において、前記非フラーレン（ｎｏｎ−ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）系化合物は、下記化学式Ａで表されてもよい。
［化学式Ａ］
前記化学式Ａにおいて、
Ｒａ〜Ｒｆ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アルキル基であり、
Ｌａ〜Ｌｄは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換のアリーレン基；または置換もしくは非置換の２価のヘテロ環基であり、
ＭａおよびＭｂは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素；ハロゲン基；または置換もしくは非置換のアルキル基であり、
ｐおよびｑは、それぞれ独立に、０〜２の整数であり、
ｐまたはｑが２の場合、括弧内の構造は、互いに同一である。
本出願の一実施態様において、前記化学式Ａで表される化合物は、下記化学式Ａ−１〜Ａ−５のうちのいずれか１つであってもよい。
［化学式Ａ−１］
［化学式Ａ−２］
［化学式Ａ−３］
［化学式Ａ−４］
［化学式Ａ−５］
本明細書において、前記Ｍｅは、メチル基を意味する。
本出願の一実施態様において、前記光活性層は、電子供与体および電子受容体を含み、前記電子供与体は、高分子化合物を含み、前記電子受容体は、フラーレン系化合物を含むことができる。この時、前記高分子化合物は、下記化学式１０で表される第１単位；下記化学式１１で表される第２単位；および下記化学式１２で表される第３単位を含む重合体を含むことができる。
［化学式１０］
［化学式１１］
［化学式１２］
化学式１０〜１２において、
ａおよびｂは、それぞれ１〜３の整数であり、
ａが２以上の場合、２以上のＬ１は、互いに同一または異なり、
ｂが２以上の場合、２以上のＬ２は、互いに同一または異なり、
Ｌ１およびＬ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、共役構造であり、
Ｒ１およびＲ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、前記Ｌ１およびＬ２の共役構造に置換される置換基で、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；およびＮ、Ｏ、および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１または２以上が選択され、
Ｘ１およびＸ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲＲ'、ＮＲ、Ｏ、ＳｉＲＲ'、ＰＲ、Ｓ、ＧｅＲＲ'、Ｓｅ、またはＴｅであり、
Ｒ、Ｒ'およびＲ３〜Ｒ５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；またはＮ、Ｏ、および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である。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、下記化学式１３で表される単位を含むことができる。
［化学式１３］
化学式４において、
ａ、ｂ、Ｌ１、Ｌ２、Ｘ１、Ｘ２およびＲ１〜Ｒ５は、前記化学式１０〜１２で定義したものと同じであり、
Ｘ１'は、前記Ｘ１と同一または異なり、それぞれ独立に、Ｘ１の定義と同一であり、
Ｒ３'は、前記Ｒ３と同一または異なり、それぞれ独立に、Ｒ３の定義と同一であり、
ｌは、モル分率で、０＜ｌ＜１であり、
ｍは、モル分率で、０＜ｍ＜１であり、
ｌ＋ｍ＝１であり、
０＜ｏ＜１，０００の整数である。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、下記化学式１３−１〜１３−５のうちのいずれか１つで表されてもよい。
［化学式１３−１］
［化学式１３−２］
［化学式１３−３］
［化学式１３−４］
［化学式１３−５］
前記化学式１３−１〜１３−５において、ｌ、ｍおよびｏの定義は、前記で定義したものと同じである。
本出願の一実施態様において、前記光活性層は、電子供与体および電子受容体を含み、前記電子供与体は、高分子化合物を含み、前記電子受容体は、フラーレン系化合物を含むことができる。この時、前記高分子化合物は、下記化学式１４で表される第１単位；および下記化学式１５で表される第２単位を含む重合体を含むことができる。
［化学式１４］
［化学式１５］
前記化学式１４および１５において、
Ｘ１およびＸ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲＲ'、ＮＲ、Ｏ、ＳｉＲＲ'、ＰＲ、Ｓ、ＧｅＲＲ'、Ｓｅ、またはＴｅであり、
Ｙ１〜Ｙ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲ"、Ｎ、ＳｉＲ"、Ｐ、またはＧｅＲ"であり、
Ｘ、Ｘ'、Ｘ"およびＸ"'は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＳまたはＳｅであり、
Ａ１およびＡ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素；またはフッ素であり、
Ｌ１およびＬ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、直接結合；Ｏ；またはＳであり、
Ａ３およびＡ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素；フッ素；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アリール基；または置換もしくは非置換のヘテロ環基であり、
Ｌ１およびＬ２のうちの少なくとも１つは、ＯまたはＳであり、
Ｒ、Ｒ'、Ｒ"およびＲ１〜Ｒ８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；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アルコキシ基；置換もしくは非置換のアリール基；または置換もしくは非置換のヘテロ環基であり、
ａ１〜ａ４は、それぞれ０または１の整数である。
本出願の一実施態様において、前記高分子化合物は、下記化学式１６−１〜１６−１７のうちのいずれか１つで表されてもよい。
［化学式１６−１］
［化学式１６−２］
［化学式１６−３］
［化学式１６−４］
［化学式１６−５］
［化学式１６−６］
［化学式１６−７］
［化学式１６−８］
［化学式１６−９］
［化学式１６−１０］
［化学式１６−１１］
［化学式１６−１２］
［化学式１６−１３］
［化学式１６−１４］
［化学式１６−１５］
［化学式１６−１６］
［化学式１６−１７］
前記化学式１６−１〜１６−１７において、
ｌは、モル分率であって、０＜ｌ＜１であり、
ｍは、モル分率であって、０＜ｍ＜１であり、
ｌ＋ｍ＝１であり、
ｎは、単位の繰り返し数であって、１〜１０，０００の整数である。
本出願の一実施態様において、前記電子供与体が高分子化合物を含み、前記電子受容体がフラーレン系化合物を含む場合よりも、前記電子供与体が高分子化合物を含み、前記電子受容体が非フラーレン系化合物を含む場合の方が、有機太陽電池のエネルギー変換効率により優れた効果を有することができる。
本出願の一実施態様において、前記電子供与体が高分子化合物を含み、前記電子受容体がフラーレン系化合物を含む場合よりも、前記電子供与体が単分子化合物を含み、前記電子受容体がフラーレン系化合物を含む場合の方が、有機太陽電池のエネルギー変換効率により優れた効果を有することができる。
前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。
前記「置換」という用語は、化合物の炭素原子に結合した水素原子が他の置換基に変わることを意味し、置換される位置は、水素原子の置換される位置すなわち、置換基が置換可能な位置であれば限定せず、２以上置換される場合、２以上の置換基は、互いに同一でも異なっていてもよい。
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；ニトリル基；ニトロ基；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ケニル基；置換もしくは非置換のアリール基；および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た１個以上の置換基で置換されているか、前記例示された置換基のうち２以上の置換基が連結された置換基で置換されるか、もしくはいずれの置換基も有しないことを意味する。例えば、「２以上の置換基が連結された置換基」は、ビフェニル基であってもよい。すなわち、ビフェニル基は、アリール基であってもよく、２個のフェニル基が連結された置換基と解釈されてもよい。
本明細書において、ハロゲン基の例としては、フッ素、塩素、臭素、またはヨウ素がある。
本明細書において、前記アルキル基は、直鎖もしくは分枝鎖であってもよく、炭素数は特に限定されないが、１〜５０のものが好ましい。具体例としては、メチル、エチル、プロピル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ブチル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｓｅｃ−ブチル、１−メチル−ブチル、１−エチル−ブチル、ペンチル、ｎ−ペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、ｔｅｒｔ−ペンチル、ヘキシル、ｎ−ヘキシル、１−メチルペンチル、２−メチルペンチル、４−メチル−２−ペンチル、３，３−ジメチルブチル、２−エチルブチル、ヘプチル、ｎ−ヘプチル、１−メチルヘキシル、シクロペンチルメチル、シクロヘキシルメチル、オクチル、ｎ−オクチル、ｔｅｒｔ−オクチル、１−メチルヘプチル、２−エチルヘキシル、２−プロピルペンチル、ｎ−ノニル、２，２−ジメチルヘプチル、１−エチル−プロピル、１，１−ジメチル−プロピル、イソヘキシル、２−メチルヘキシル、４−メチルヘキシル、および５−メチルヘキシルなどがあるが、これらに限定されない。
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のものが好ましく、具体的には、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、３−メチルシクロペンチル、２，３−ジメチルシクロペンチル、シクロヘキシル、３−メチルシクロヘキシル、４−メチルシクロヘキシル、２，３−ジメチルシクロヘキシル、３，４，５−トリメチルシクロヘキシル、４−ｔｅｒｔ−ブチルシクロヘキシル、シクロヘプチル、およびシクロオクチルなどがあるが、これらに限定されない。
本明細書において、前記アルコキシ基は、直鎖、分枝鎖もしくは環鎖であってもよい。アルコキシ基の炭素数は特に限定されないが、炭素数１〜２０のものが好ましい。具体的には、メトキシ、エトキシ、ｎ−プロポキシ、イソプロポキシ、ｉ−プロピルオキシ、ｎ−ブトキシ、イソブトキシ、ｔｅｒｔ−ブトキシ、ｓｅｃ−ブトキシ、ｎ−ペンチルオキシ、ネオペンチルオキシ、イソペンチルオキシ、ｎ−ヘキシルオキシ、３，３−ジメチルブチルオキシ、２−エチルブチルオキシ、ｎ−オクチルオキシ、ｎ−ノニルオキシ、ｎ−デシルオキシ、ベンジルオキシ、およびｐ−メチルベンジルオキシなどがあるが、これらに限定されるものではない。
本明細書において、前記アルケニル基は、直鎖もしくは分枝鎖であってもよく、炭素数は特に限定されないが、２〜４０のものが好ましい。具体例としては、ビニル、１−プロペニル、イソプロペニル、１−ブテニル、２−ブテニル、３−ブテニル、１−ペンテニル、２−ペンテニル、３−ペンテニル、３−メチル−１−ブテニル、１，３−ブタジエニル、アリル、１−フェニルビニル−１−イル、２−フェニルビニル−１−イル、２，２−ジフェニルビニル−１−イル、２−フェニル−２−（ナフチル−１−イル）ビニル−１−イル、２，２−ビス（ジフェニル−１−イル）ビニル−１−イル、スチルベニル基、およびスチレニル基などがあるが、これらに限定されない。
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のものが好ましい。アミン基は、Ｎ原子に、アリール基、アルキル基、アリールアルキル基、およびヘテロ環基などで置換されていてもよいし、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、および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。
本明細書において、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のものが好ましい。具体的には、単環式アリール基としては、フェニル基、ビフェニル基、およびターフェニル基などがあるが、これらに限定されるものではない。
本明細書において、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のものが好ましい。具体的には、多環式アリール基としては、ナフチル基、アントラセニル基、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、およびフルオレニル基などがあるが、これらに限定されるものではない。
本明細書において、前記フルオレニル基は置換されていてもよいし、隣接した置換基が互いに結合して環を形成してもよい。
本明細書において、アリーレン基は、アリール基に結合位置が２つあるもの、すなわち２価の基を意味する。これらは、それぞれ２価の基であることを除けば、前述したアリール基の説明が適用可能である。
本明細書において、ヘテロ環基は、炭素でない原子、異種原子を１以上含むものであって、具体的には、前記異種原子は、Ｏ、Ｎ、Ｓｅ、およびＳなどからなる群より選択される原子を１以上含むことができる。ヘテロ環基の炭素数は特に限定されないが、炭素数２〜６０のものが好ましい。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、ピリミジル基、トリアジン基、トリアゾール基、アクリジル基、ピリダジン基、ピラジニル基、キノリニル基、キナゾリン基、キノキサリニル基、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、ベンゾチアゾール基、ベンゾカルバゾール基、ベンゾチオフェン基、ジベンゾチオフェン基、ベンゾフラニル基、フェナントロリン（ｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ）基、チアゾリル基、イソオキサゾリル基、オキサジアゾリル基、チアジアゾリル基、フェノチアジニル基、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。
本明細書において、アリールオキシ基のアリール基は、前述したアリール基の例示の通りである。具体的には、アリールオキシ基としては、フェノキシ、ｐ−トリルオキシ、ｍ−トリルオキシ、３，５−ジメチル−フェノキシ、２，４，６−トリメチルフェノキシ、ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノキシ、３−ビフェニルオキシ、４−ビフェニルオキシ、１−ナフチルオキシ、２−ナフチルオキシ、４−メチル−１−ナフチルオキシ、５−メチル−２−ナフチルオキシ、１−アントリルオキシ、２−アントリルオキシ、９−アントリルオキシ、１−フェナントリルオキシ、３−フェナントリルオキシ、および９−フェナントリルオキシなどがあるが、これらに限定されない。
本出願の一実施態様によれば、前記光活性層は、光活性物質および溶媒を含む溶液を用いて形成することができる。
本出願の一実施態様によれば、前記溶媒は、クロロホルム（ｃｈｌｏｒｏｆｏｒｍ）、クロロベンゼン（ｃｈｌｏｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）、オルトジクロロベンゼン（ｏｒｔｈｏｄｉｃｈｌｏｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）、キシレン（ｘｙｌｅｎｅ）、トルエン（ｔｏｌｕｅｎｅ）、シクロヘキサン（ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅ）、および２−メチルアニソール（２−ｍｅｔｈｙｌａｎｉｓｏｌｅ）からなる群より選択される１または２以上の混合溶媒であってもよい。
本出願の一実施態様によれば、前記溶液は、１，８−ジヨードオクタン（ＤＩＯ：１，８−ｄｉｉｏｄｏｏｃｔａｎｅ）、オクタンジチオール（ｏｃｔａｎｅ ｄｉｔｈｉｏｌ）、ジフェニルエーテル（Ｄｉｐｈｅｎｙｌ ｅｔｈｅｒ）、卜リクロロベンゼン（ｔｒｉｃｈｌｏｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）、および１−クロロナフタレン（１−ｃｈｌｏｒｏｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ）からなる群より選択される１または２種以上の添加剤をさらに含んでもよい。
本出願の一実施態様において、前記光活性層は、添加剤をさらに含んでもよい。本出願の一実施態様において、前記添加剤の分子量は、５０ｇ／ｍｏｌ以上１，０００ｇ／ｍｏｌ以下であってもよい前記添加剤の沸点は、３０℃〜３００℃の有機物であってもよい。前記有機物とは、炭素原子を少なくとも１以上含む物質を意味する。
有機太陽電池において、エキシトンの円滑な分離と分離された電荷の効果的な輸送のためには、電子供与体および受容体の間の界面を最大限に増加させるが、適当な相分離により電子供与体および受容体の連続的通路を確保して、モルフォロジーの向上を誘導することが求められる。
本出願の一実施態様によれば、前記添加剤を活性層に導入することにより、電子供与体と電子受容体の添加剤に対する選択的溶解度および溶媒と添加剤の沸点の差から誘導される効果的な相分離を誘導することができる。また、電子受容体や電子供与体を架橋化させてモルフォロジーを固定させて相分離が起こらないようにすることができ、電子供与体の分子構造の変化によってもモルフォロジーをコントロールすることができる。
本出願の一実施態様において、前記光活性層の厚さは、１５０ｎｍ以下であってもよく、１００ｎｍ以下であってもよいし、８０ｎｍ以下であってもよい。また、前記光活性層の厚さは、４０ｎｍ以上であってもよく、５０ｎｍ以上であってもよい。
本出願の一実施態様において、前記基板は、透明基板であってもよいし、透明基板としては特に限定されないが、光透過率が５０％以上、好ましくは７５％以上であることが好ましい。具体的には、前記透明基板としては、ガラスを用いてもよく、プラスチック基板またはプラスチックフィルムを用いてもよい。前記プラスチック基板またはフィルムとしては、当技術分野で知られている材料を用いることができ、例えば、ポリアクリル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリエポキシ系、ポリオレフイン系、ポリカーボネート系、およびセルロース系の中から選択された１種以上の樹脂で形成されたものを使用することができる。さらに具体的には、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＶＢ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｂｕｔｙｒａｌ）、ＰＥＮ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＳ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、アセチルセルロイドのような、可視光透過率８０％以上のフィルムが好ましい。
本出願の一実施態様において、前記有機太陽電池が外部光源から光子を受けると、電子供与体と電子受容体との間で電子と正孔が発生する。発生した正孔は、電子供与体層を介して陽極に輸送される。
本出願の一実施態様において、前記有機太陽電池は、正孔輸送層、正孔注入層、または正孔輸送および正孔注入を同時に行う層をさらに含んでもよい。また、本出願の一実施態様において、前記有機太陽電池は、電子注入層、電子輸送層、または電子注入および電子輸送を同時に行う層をさらに含んでもよい。
本出願の一実施態様に係る有機太陽電池を、下記の図１に概略的に示した。
本出願の一実施態様において、前記第１電極は、アノードであり、前記第２電極は、カソードである。また、本出願の一実施態様において、前記第１電極は、カソードであり、前記第２電極は、アノードである。
本出願の一実施態様において、有機太陽電池は、カソード、光活性層、およびアノードの順に配列されてもよく、アノード、光活性層、およびカソードの順に配列されてもよいが、これに限定されない。
本出願の一実施態様において、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。
本出願の一実施態様において、前記有機太陽電池は、ノーマル（Ｎｏｒｍａｌ）構造である。前記ノーマル構造は、基板上にアノードが形成されるものを意味することができる。具体的には、本明細書の一実施態様によれば、前記有機太陽電池がノーマル構造の場合、基板上に形成される第１電極がアノードであってもよい。
本出願の一実施態様において、前記有機太陽電池は、インバーテッド（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ）構造である。前記インバーテッド構造は、基板上にカソードが形成されるものを意味することができる。具体的には、本明細書の一実施態様によれば、前記有機太陽電池がインバーテッド構造の場合、基板上に形成される第１電極がカソードであってもよい。
本出願の一実施態様において、前記有機太陽電池は、タンデム（ｔａｎｄｅｍ）構造である。この場合、前記有機太陽電池は、２層以上の光活性層を含むことができる。本出願の一実施態様に係る有機太陽電池は、光活性層が１層または２層以上であってもよい。
本出願の一実施態様において、バッファ層が光活性層と正孔輸送層との間、または光活性層と電子輸送層との間に備えられる。この時、正孔注入層がアノードと正孔輸送層との間にさらに備えられてもよい。また、電子注入層がカソードと電子輸送層との間にさらに備えられてもよい。
本出願の一実施態様において、前記電子供与体および電子受容体は、バルクヘテロジャンクション（ＢＨＪ）を構成する。前記バルクヘテロジャンクションとは、光活性層で電子供与体と電子受容体とが互いに混ざっていることを意味する。
本出願の一実施態様において、前記光活性層は、ｎ型有機物層およびｐ型有機物層を含む二層薄膜（ｂｉｌａｙｅｒ）構造であってもよい。
本出願の一実施態様において、前記アノード電極は、透明で導電性の優れた物質になってもよいが、これに限定されない。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）、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ＳｎＯ２：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導電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。
前記アノード電極の形成方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリング、Ｅ−ビーム、熱蒸着、スピンコーティング、スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、ドクターブレード、またはグラビアプリンティング法を用いて基板の一面に塗布されたり、フィルム形態にコーティングされることにより形成される。
前記アノード電極を基板上に形成する場合、これは、洗浄、水分除去および親水性改質過程を経ることができる。
例えば、パターニングされたＩＴＯ基板を、洗浄剤、アセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で順次に洗浄した後、水分除去のために、加熱板にて１００℃〜１５０℃で１〜３０分間、好ましくは１２０℃で１０分間乾燥し、基板が完全に洗浄されると、基板表面を親水性に改質する。
前記のような表面改質により接合表面電位を光活性層の表面電位に適した水準に維持することができる。また、改質時、アノード電極上に高分子薄膜の形成が容易になり、薄膜の品質が向上することもできる。
アノード電極の前処理技術としては、ａ）平行平板型放電を利用した表面酸化法、ｂ）真空状態でＵＶ紫外線を用いて生成されたオゾンを通して表面を酸化する方法、およびｃ）プラズマによって生成された酸素ラジカルを用いて酸化する方法などがある。
アノード電極または基板の状態によって前記方法のうちの１つを選択することができる。ただし、どの方法を利用しても、共通して、アノード電極または基板表面の酸素離脱を防止し、水分および有機物の残留を最大限に抑制することが好ましい。この時、前処理の実質的な効果を極大化することができる。
具体例として、ＵＶを用いて生成されたオゾンを通して表面を酸化する方法を使用することができる。この時、超音波洗浄後、パターニングされたＩＴＯ基板を加熱板（ｈｏｔ ｐｌａｔｅ）にてベーキング（ｂａｋｉｎｇ）してよく乾燥させた後、チャンバに投入し、ＵＶランプを作用させて、酸素ガスがＵＶ光と反応して発生するオゾンによって、パターニングされたＩＴＯ基板を洗浄することができる。
しかし、本出願におけるパターニングされたＩＴＯ基板の表面改質方法は特に限定させる必要はなく、基板を酸化させる方法であれば、いずれの方法でも構わない。
前記カソード電極は、仕事関数の小さい金属になってもよいが、これに限定されない。具体的には、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；ＬｉＦ／Ａｌ、ＬｉＯ２／Ａｌ、ＬｉＦ／Ｆｅ、Ａｌ：Ｌｉ、Ａｌ：ＢａＦ２、Ａｌ：ＢａＦ２：Ｂａのような多層構造の物質になってもよいが、これに限定されるものではない。
前記カソード電極は、５×１０−７ｔｏｒｒ以下の真空度を示す熱蒸着器の内部で蒸着されて形成されるが、この方法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、光活性層で分離された電子と正孔を電極に効率的に伝達させる役割を担い、物質を特に限定しない。
前記正孔輸送層物質は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）−ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ））、モリブデン酸化物（ＭｏＯｘ）；バナジウム酸化物（Ｖ２Ｏ５）；ニッケル酸化物（ＮｉＯ）；およびタングステン酸化物（ＷＯｘ）などになってもよいが、これらにのみ限定されるものではない。
前記電子輸送層物質は、電子抽出金属酸化物（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅｓ）になってもよいし、具体的には、８−ヒドロキシキノリンの金属錯体；Ａｌｑ３を含む錯体；Ｌｉｑを含む金属錯体；ＬｉＦ；Ｃａ；チタン酸化物（ＴｉＯｘ）；亜鉛酸化物（ＺｎＯ）；およびセシウムカーボネート（Ｃｓ２ＣＯ３）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）などになってもよいが、これらにのみ限定されるものではない。
本出願は、前述した有機太陽電池の製造方法によって製造された有機太陽電池を提供する。
本出願の一実施態様に係る有機太陽電池は、エネルギー変換効率に優れた特性を有する。前記エネルギー変換効率を測定する方法は後述する。
前記有機太陽電池のエネルギー変換効率は、開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｊｓｃ）、およびフィルファクター（ＦＦ）の積を照射される光の強度で割った値であって、下記の数式１により算出できる。
［数式１］
η＝ＦＦ×［Ｊｓｃ×Ｖｏｃ／（照射される光の強度）］
（上記中、ＦＦはフィルファクター（充填因子）、Ｊｓｃは光短絡電流密度、Ｖｏｃは光開放電圧である）
以下、本明細書を具体的に説明するために実施例を挙げて詳細に説明する。しかし、本明細書に係る実施例は種々の異なる形態に変形可能であり、本明細書の範囲が以下に詳述する実施例に限定されると解釈されない。本明細書の実施例は、当業界における平均的な知識を有する者に本明細書をより完全に説明するために提供されるものである。
＜実施例＞
＜実施例１＞
１）複合溶液の製造
下記の化合物１で表される化合物とＰＣＢＭ（（６，６）−ｐｈｅｎｙｌ−Ｃ６１−ｂｕｔｙｒｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｔｈｙｌｅｓｔｅｒ）とを１：２の質量比でクロロベンゼン（Ｃｈｌｏｒｏｂｅｎｚｅｎｅ、ＣＢ）に溶かして複合溶液（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を製造した。この時、前記化合物とＰＣＢＭとの複合溶液に対する濃度は３ｗｔ％に調節した。
２）基板の用意
ＩＴＯ／ＺｎＯ／光活性層／ＭｏＯ３／Ａｇの構造を有する有機太陽電池を製造するために、ＩＴＯがｓｔｒｉｐ ｔｙｐｅでコーティングされたガラス基板（１１７ｃｍ２）に対して、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。
３）第１電極の形成
前記基板上に４５ｎｍの厚さにＺｎＯをバーコーティング（Ｂａｒ−ｃｏａｔｉｎｇ）し、１００℃で１０分間熱処理した。
４）光活性層の形成
前記第１電極上に前記複合溶液をバーコーティング（Ｂａｒ−ｃｏａｔｉｎｇ）を利用してコーティングした。
５）光活性層の乾燥
前記複合溶液がコーティングされた積層体を０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥した。より具体的には、前記積層体の光活性層の表面から１ｃｍ〜３ｃｍの高さで０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風を均一に吹き付ける装備（下記の図２のエアレギュレータ）で行った。この時、温度は２２℃〜２７℃であり、湿度は２０％〜３５％であった。
６）第２電極の形成
その後、３×１０−８ｔｏｒｒの真空下、熱蒸発器（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）を用いて、ＭｏＯ３を０．５Å／ｓの速度で１０ｎｍ蒸着し、１００ｎｍの厚さに１Å／ｓの速度でＡｇを蒸着して、最終有機太陽電池を製造した。
［化合物１］
＜実施例２＞
前記実施例１において、化合物１の代わりに下記の化合物２を用いたことを除けば、前記実施例１と同様に行った。
［化合物２］
＜実施例３＞
下記の重合体１とＳｏｌａｒｍｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＩＴＩＣとを１：２の比率でクロロベンゼン（Ｃｈｌｏｒｏｂｅｎｚｅｎｅ、ＣＢ）２ｍｌに溶かして複合溶液（ｃｏｍｐｏｓｉｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を製造し、この時、複合溶液の濃度は２．０ｗｔ％に調節し、有機太陽電池はＩＴＯ／ＺｎＯ／光活性層／ＭｏＯ３／Ａｇの構造とした。
ＩＴＯがｓｔｒｉｐ ｔｙｐｅでコーティングされたガラス基板（１１７ｃｍ２）に対して、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。
ＩＴＯ表面を１０分間オゾン処理した前記基板上に４５ｎｍの厚さにＺｎＯをバーコーティング（Ｂａｒ−ｃｏａｔｉｎｇ）し、１００℃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バーコーティング（Ｂａｒ−ｃｏａｔｉｎｇ）を利用した。
前記光活性層が形成された積層体を０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥した。より具体的には、前記積層体の光活性層の表面から１ｃｍ〜３ｃｍの高さで０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風を均一に吹き付ける装備（下記の図２のエアレギュレータ）で行った。この時、温度は２２℃〜２７℃であり、湿度は２０％〜３５％であった。
その後、３×１０−８ｔｏｒｒの真空下、熱蒸発器（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）を用いて、ＭｏＯ３を０．５Å／ｓの速度で１０ｎｍ蒸着し、１００ｎｍの厚さに１Å／ｓの速度でＡｇを蒸着して、最終有機太陽電池を製造した。
［重合体１］
［ＩＴＩＣ］
＜実施例４＞
前記実施例３において重合体１の代わりに下記の重合体２を適用したことを除けば、実施例３と同様に行った。
［重合体２］
＜実施例５＞
前記実施例３において重合体１の代わりに下記の重合体３を適用したことを除けば、実施例３と同様に行った。
［重合体３］
＜実施例６＞
前記実施例１において化合物１の代わりに下記の重合体４を用いたことを除けば、前記実施例１と同様に行った。
［重合体４］
＜実施例７＞
前記実施例１において化合物１の代わりに下記の重合体５を用いたことを除けば、前記実施例１と同様に行った。
［重合体５］
＜比較例１＞
前記実施例１において光活性層を自然乾燥させたことを除けば、実施例１と同様に行った。
＜比較例２＞
前記実施例１において光活性層を０．０１Ｍｐａ未満の風力で乾燥したことを除けば、実施例１と同様に行った。
＜比較例３＞
前記実施例１において光活性層を０．０７Ｍｐａ超過の風力で乾燥したことを除けば、実施例１と同様に行った。
＜比較例４＞
前記実施例２において光活性層を自然乾燥させたことを除けば、実施例２と同様に行った。
＜比較例５＞
前記実施例２において光活性層を０．０１Ｍｐａ未満の風力で乾燥したことを除けば、実施例２と同様に行った。
＜比較例６＞
前記実施例２において光活性層を０．０７Ｍｐａ超過の風力で乾燥したことを除けば、実施例２と同様に行った。
＜比較例７＞
前記実施例３において光活性層を自然乾燥させたことを除けば、実施例３と同様に行った。
＜比較例８＞
前記実施例３において光活性層を０．０１Ｍｐａ未満の風力で乾燥したことを除けば、実施例３と同様に行った。
＜比較例９＞
前記実施例３において光活性層を０．０７Ｍｐａ超過の風力で乾燥したことを除けば、実施例３と同様に行った。
＜比較例１０＞
前記実施例４において光活性層を自然乾燥させたことを除けば、実施例４と同様に行った。
＜比較例１１＞
前記実施例４において光活性層を０．０１Ｍｐａ未満の風力で乾燥したことを除けば、実施例４と同様に行った。
＜比較例１２＞
前記実施例４において光活性層を０．０７Ｍｐａ超過の風力で乾燥したことを除けば、実施例４と同様に行った。
＜比較例１３＞
前記実施例５において光活性層を自然乾燥させたことを除けば、実施例５と同様に行った。
＜比較例１４＞
前記実施例５において光活性層を０．０１Ｍｐａ未満の風力で乾燥したことを除けば、実施例５と同様に行った。
＜比較例１５＞
前記実施例１において光活性層を０．０７Ｍｐａ超過の風力で乾燥したことを除けば、実施例５と同様に行った。
＜実験例＞
前記実施例１〜５、および比較例１〜１５による有機太陽電池の物性をそれぞれ３回測定した後、平均値を計算して下記表１にまとめた。
本明細書において、Ｖｏｃは開放電圧（Ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）を、Ｊｓｃは短絡電流（Ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）を、ＦＦはフィルファクター（Ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）を、ηはエネルギー変換効率を意味する。
前記開放電圧は、外部の電気的負荷なしに光が照射された時に生成される電圧、すなわち電流が０の時の電圧であり、短絡電流は、短絡された電気接触で光が照射された時に生成される電流、すなわち電圧が印加されない場合の、光による電流と定義される。
また、フィルファクターは、電流および電圧が印加され、それによって変化する電流および電圧の積を開放電圧と短絡電流との積で割った値と定義される。このようなフィルファクターが１に近接するほど太陽電池の効率が高まり、フィルファクターが低くなるほど抵抗が増加すると評価される。
前記結果の通り、実施例１〜７と比較例１〜１５とを比較した時、本出願の一実施態様に係る有機太陽電池の製造方法によれば、バー、スロットダイなどで形成された光活性層の乾燥を最適化して、電子供与体と電子受容体との間の適切な相分離を誘導することができる。
また、本出願の一実施態様に係る有機太陽電池の製造方法によって製造された有機太陽電池は、エネルギー変換効率に優れた効果を有する。
さらに、実施例１〜５と実施例６〜７とを比較した時、前記電子供与体が高分子化合物を含み、前記電子受容体がフラーレン系化合物を含む場合よりも、前記電子供与体が高分子化合物を含み、前記電子受容体が非フラーレン系化合物を含む場合；または前記電子供与体が単分子化合物を含み、前記電子受容体がフラーレン系化合物を含む場合の方が、有機太陽電池のエネルギー変換効率により優れた効果を有することができる。
１０１：基板
１０２：第１電極
１０３：電子輸送層
１０４：光活性層
１０５：正孔輸送層
１０６：第２電極

Claims (9)

  1. 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電極上に光活性層を形成するステップと、
    前記光活性層を０．０１Ｍｐａ〜０．０７Ｍｐａの風力で乾燥するステップと、
    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。
  2. 前記光活性層は、電子供与体および電子受容体を含み、
    前記電子供与体は、単分子化合物を含み、前記電子受容体は、フラーレン系化合物を含むものである、請求項１に記載の有機太陽電池の製造方法。
  3. 前記単分子化合物は、下記化学式１で表される化合物を含むものである、請求項２に記載の有機太陽電池の製造方法：
    ［化学式１］
    前記化学式１において、
    ｍ１、ｍ２、ｎ１およびｎ２は、それぞれ１〜３の整数であり、
    ｍ１、ｍ２、ｎ１およびｎ２がそれぞれ２以上の場合、２以上の大括弧内の構造は、互いに同一または異なり、
    Ｌ２およびＬ３は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、直接結合；または２価の連結基であり、
    Ｒ１〜Ｒ１２およびＲ２１〜Ｒ２８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；またはＮ、Ｏ、および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であり、
    Ｇ１およびＧ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換の分枝鎖のアルキル基であり、
    Ａ１およびＡ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、電子受容体として作用する構造である。
  4. 前記単分子化合物は、下記化学式２で表される化合物を含むものである、請求項２に記載の有機太陽電池の製造方法：
    ［化学式２］
    化学式２において、
    ｎ１〜ｎ４は、それぞれ１〜３の整数であり、
    ｎ１〜ｎ４がそれぞれ２以上の場合、２以上の括弧内の構造は、互いに同一または異なり、
    Ｘ１〜Ｘ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲＲ'、ＮＲ、Ｏ、ＳｉＲＲ'、ＰＲ、Ｓ、ＧｅＲＲ'、Ｓｅ、またはＴｅであり、
    Ｙ１〜Ｙ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲ"、Ｎ、ＳｉＲ"、Ｐ、またはＧｅＲ"であり、
    Ｒ、Ｒ'、Ｒ"、Ｒ１〜Ｒ８およびＲ１０〜Ｒ１３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；または置換もしくは非置換のヘテロ環基であり、
    ［Ｐｕｓｈ］は、電子供与体として作用する構造で、下記の構造のうちのいずれか１つであり、
    ｃおよびｃ'は、それぞれ１〜３の整数であり、
    ｃが２以上の場合、２以上のＲ１００は、互いに同一または異なり、
    ｃ'が２以上の場合、２以上のＲ１０１は、互いに同一または異なり、
    Ｘ１０〜Ｘ１３は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲａＲｂ、ＮＲａ、Ｏ、ＳｉＲａＲｂ、ＰＲａ、Ｓ、ＧｅＲａＲｂ、Ｓｅ、またはＴｅであり、
    Ｙ１０およびＹ１１は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲｃ、Ｎ、ＳｉＲｃ、Ｐ、またはＧｅＲｃであり、
    Ｒａ、Ｒｂ、ＲｃおよびＲ１００〜Ｒ１０３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；または置換もしくは非置換のヘテロ環基であり、
    Ａｒ１およびＡｒ２は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、下記の構造のうちのいずれか１つであり、
    前記構造において、
    ａは、１〜７の整数であり、
    ｂおよびｃは、それぞれ１〜４の整数であり、
    ａが２以上の場合、２以上のＲ１５は、互いに同一または異なり、
    ｂが２以上の場合、２以上のＲ１６は、互いに同一または異なり、
    ｃが２以上の場合、２以上のＲ１７は、互いに同一または異なり、
    Ｒ１４〜Ｒ２０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；または置換もしくは非置換のヘテロ環基である。
  5. 前記光活性層は、電子供与体および電子受容体を含み、
    前記電子供与体は、高分子化合物を含み、前記電子受容体は、非フラーレン（ｎｏｎ−ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）系化合物を含むものである、請求項１から４のいずれか一項に記載の有機太陽電池の製造方法。
  6. 前記高分子化合物は、下記化学式３で表される第１単位；下記化学式４で表される第２単位；および下記化学式５で表される第３単位を含む重合体を含むものである、請求項５に記載の有機太陽電池の製造方法：
    ［化学式３］
    ［化学式４］
    ［化学式５］
    前記化学式３〜５において、
    Ｘ１〜Ｘ５は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲＲ'、ＮＲ、Ｏ、ＳｉＲＲ'、ＰＲ、Ｓ、ＧｅＲＲ'、Ｓｅ、およびＴｅからなる群より選択され、
    Ｙ１〜Ｙ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、ＣＲ"、Ｎ、ＳｉＲ"、Ｐ、およびＧｅＲ"からなる群より選択され、
    Ｒ、Ｒ'、Ｒ"、Ｑ１〜Ｑ４、Ｒ１〜Ｒ４、Ｒ１０およびＲ１１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；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ケニル基；置換もしくは非置換のアミン基；置換もしくは非置換のアリール基；または置換もしくは非置換のヘテロ環基であり、
    Ｒ２０およびＲ２１は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換のアルコキシ基；または置換もしくは非置換のアリールオキシ基であり、
    ａ、ｂ、ｄおよびｅは、それぞれ０〜３の整数であり、
    ａ、ｂ、ｄまたはｅが２以上の場合、２以上の括弧内の構造は、互いに同一または異なり、
    Ａ１〜Ａ４は、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素、フッ素、または塩素であり、前記Ａ１〜Ａ４のうちの少なくとも１つは、フッ素または塩素である。
  7. 前記非フラーレン（ｎｏｎ−ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）系化合物は、下記化学式Ａで表される化合物を含むものである、請求項５または６に記載の有機太陽電池の製造方法：
    ［化学式Ａ］
    前記化学式Ａにおいて、
    Ｒａ〜Ｒｆ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アルキル基であり、
    Ｌａ〜Ｌｄは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、置換もしくは非置換のアリーレン基；または置換もしくは非置換の２価のヘテロ環基であり、
    ＭａおよびＭｂは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、水素；ハロゲン基；または置換もしくは非置換のアルキル基であり、
    ｐおよびｑは、互いに同一または異なり、それぞれ独立に、０〜２の整数であり、
    ｐまたはｑが２の場合、括弧内の構造は、互いに同一である。
  8. 前記光活性層を形成するステップは、スロットダイ、バーコーター、ドクターブレード、またはディップコーティングを利用して行われるものである、請求項１から７のいずれか一項に記載の有機太陽電池の製造方法。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の有機太陽電池の製造方法によって製造された有機太陽電池。
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