KR101091179B1 - Organic solar cell using morphology controller and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

유기 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다. 유기 태양전지는 서로 대향 배치되는 제1 전극과 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하고 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 혼합된 광활성층을 포함하며, 상기 전자 주개 물질은 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 함유한다. 유기 태양전지 제조방법은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 함유하는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 혼합된 광활성층을 형성하는 단계 및 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 이에 따르면, 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 이용하여 광활성층을 형성함으로써, 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 접촉 면적을 증가시키고, 이를 통해 D-A 계면에서의 엑시톤의 분리를 촉진하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.An organic solar cell and a method of manufacturing the same are provided. The organic solar cell includes a first electrode and a second electrode disposed opposite to each other, and a photoactive layer disposed between the first electrode and the second electrode and mixed with an electron donor material and an electron acceptor material, wherein the electron donor material is disposed at an end thereof. It contains conjugated polymers having hydrophobic functional groups. An organic solar cell manufacturing method includes forming a first electrode on a substrate, and forming a photoactive layer on which the electron donor material and the electron acceptor material containing a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at a terminal thereof are mixed on the first electrode. And forming a second electrode on the photoactive layer. According to this, by forming a photoactive layer using a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the end, the contact area between the electron donor material and the electron acceptor material is increased, thereby promoting the separation of excitons at the DA interface, thereby improving the photoelectric conversion efficiency. Can be improved.

Description

모폴로지 컨트롤러를 이용한 유기 태양전지 및 그 제조방법{Organic solar cell using morphology controller and method for fabricating the same}Organic solar cell using morphology controller and method for fabricating the same {Organic solar cell using morphology controller and method for fabricating the same}

본 발명은 유기 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광활성층의 모폴로지가 개선된 유기 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an organic solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an organic solar cell and a method of manufacturing the improved morphology of the photoactive layer.

최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 개발에 대한 관심이 높아지면서 태양전지 개발에도 많은 연구가 이루어지고 있다. 현재 상용화된 태양전지의 대부분인 실리콘 태양전지는 제조 가격이 높고 반도체 산업 등에서 실리콘 수요가 증가함에 따라 실리콘 재료의 가격도 상승하는 추세며, 경제성 면에서도 아직 대체하려는 화석연료에 못 미친다. 또한 실리콘은 흡광계수가 작기 때문에 충분한 광흡수를 위해서는 결과적으로 무겁고 두꺼운 태양전지의 형태로 제작되어야 하는 문제가 있다. 반면, 유기 태양전지는 광활성층 재료로 사용되는 유기 분자의 흡광계수가 높아서 수백 나노미터의 얇은 박막으로도 태양빛을 충분히 흡수할 수 있기 때문에 얇은 소자로 제작이 가능하며, 고분자의 특성상 굽힘성 및 가공성 등이 좋아서 다양한 분야에 응용할 수 있고, 저온 상압 제작공정, 저렴한 재료, 제작공정의 단순, 대량 생산 및 대형 모듈의 제작이 가능하여 경제성과 기술적인 면 에서 여러 가지 생산 장점을 보유하고 있다. 다만, 전하 트랩 밀도가 커서 전하의 수명과 이동도가 낮고 확산길이도 짧기 때문에 광수집 효율이 좋지 않아 광전변환효율이 낮은 문제가 있다. 따라서, 유기 태양전지가 궁극적으로 발전단가 면에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 광전변환효율의 개선이 무엇보다 중요하다고 할 것이다. Recently, as the interest in developing clean alternative energy in the face of environmental problems and high oil prices is increasing, many researches have been conducted on solar cell development. As silicon solar cells, which are mostly commercialized solar cells, have a high manufacturing price and the demand for silicon in the semiconductor industry increases, the price of silicon materials also increases, and it is still less than fossil fuels to replace in terms of economics. In addition, since silicon has a small extinction coefficient, there is a problem in that it must be manufactured in the form of a heavy and thick solar cell for sufficient light absorption. Organic solar cells, on the other hand, have high absorption coefficients of organic molecules used as photoactive layer materials, and thus can absorb solar light even with thin films of hundreds of nanometers. It has good workability, so it can be applied to various fields, and it has various production advantages in terms of economics and technology by making low-temperature atmospheric pressure manufacturing process, inexpensive materials, simple manufacturing process, mass production, and manufacturing large modules. However, since the charge trap density is large, the lifetime and mobility of the charge are low, and the diffusion length is short, so that the light collection efficiency is not good, and thus the photoelectric conversion efficiency is low. Therefore, improvement of photoelectric conversion efficiency is most important for organic solar cells to secure competitiveness in terms of power generation cost.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광활성층의 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 접촉 면적 증가에 의해 광전변환효율이 향상된 유기 태양전지를 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide an organic solar cell having improved photoelectric conversion efficiency by increasing the contact area of the electron donor material and the electron acceptor material of the photoactive layer.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 광전변환효율이 향상된 유기 태양전지 제조방법을 제공함에 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide an organic solar cell manufacturing method with improved photoelectric conversion efficiency.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 유기 태양전지를 제공한다. 상기 전지는 서로 대향 배치되는 제1 전극과 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하고 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 혼합된 광활성층을 포함하며, 상기 전자 주개 물질은 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 함유한다.In order to achieve the above technical problem, an aspect of the present invention provides an organic solar cell. The battery includes a first electrode and a second electrode disposed opposite to each other, and a photoactive layer disposed between the first electrode and the second electrode and mixed with an electron donor material and an electron acceptor material, wherein the electron donor material is hydrophobic at an end thereof. It contains conjugated polymers having functional groups.

상기 소수성 기능기는 플루오린을 함유하는 지방족 또는 방향족 화합물일 수 있다.The hydrophobic functional group may be an aliphatic or aromatic compound containing fluorine.

상기 공액고분자는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리카바졸(polycarbazole), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리실롤(polysilole), 폴리페닐렌(polyphenylene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 상기 유도체는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT(poly[N-9″-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'- ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 또는 MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene])일 수 있다.The conjugated polymer is at least one selected from the group consisting of polythiophene, polycarbazole, polyfluorene, polysilole, polyphenylene, and derivatives thereof The derivative may be P3HT (poly (3-hexylthiophene)), PCPDTBT (poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1-b; 3, 4-b '] dithiophene) -alt-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT (poly [N-9 ″ -hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5 -(4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT (poly (2,7- (9- (2'-ethylhexyl) -9-hexyl- fluorene) -alt-5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV (poly- [2-methoxy-5- ( 2'-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylene vinylene]) or MDMO-PPV (poly [2-methoxy-5- (3,7-dimethyloctyloxy) -1,4-phenylene vinylene]).

상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal may be a compound represented by the following formula (1).

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112009041108704-pat00001
Figure 112009041108704-pat00001

상기 식에서, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 10,000,000.

상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자는 상기 광활성층을 이루는 전체 전자 주개 물질 100 중량부에 대하여 0.5 내지 95 중량부로 함유될 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10 중량부로 함유될 수 있다.The conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal may be contained in an amount of 0.5 to 95 parts by weight, preferably 1 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total electron donor material forming the photoactive layer.

한편, 상기 유기 태양전지는 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 개재되고 상기 제1 전극 상에 위치한 정공전달층 및 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 개재되고 상기 광활성층 상에 위치한 전자수송층 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the organic solar cell is interposed between the first electrode and the photoactive layer and the hole transport layer located on the first electrode and the electron transport layer interposed between the second electrode and the photoactive layer and located on the photoactive layer It may further include at least one.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 유기 태양전지 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 함유하는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 혼합된 광활성층을 형성하는 단계 및 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.Another aspect of the present invention provides an organic solar cell manufacturing method to achieve the above technical problem. The method includes forming a first electrode on a substrate, forming a photoactive layer on which the electron donor material containing an conjugated polymer having a hydrophobic functional group and an electron acceptor material are mixed on the first electrode, and the photoactive layer. Forming a second electrode on the layer.

상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal may be a compound represented by the following formula (1).

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112009041108704-pat00002
Figure 112009041108704-pat00002

상기 식에서, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 10,000,000.

상기 광활성층을 형성하는 단계는 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자 를 함유하는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 혼합용액을 제1 전극 상에 도포하는 단계, 상기 혼합용액이 도포된 제1 전극이 형성된 기판을 상기 혼합용액의 용매가 담긴 용기에 넣어 용매 보조 어닐링(solvent assisted annealing)하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the photoactive layer may include applying a mixed solution of an electron donor material and an electron acceptor material containing a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at an end thereof onto a first electrode, and forming the first electrode coated with the mixed solution. And putting the substrate into a container containing the solvent of the mixed solution, and may include solvent assisted annealing.

상기 혼합용액을 도포하는 단계는 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅 (dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 드롭 캐스팅(drop casting) 또는 닥터 블레이드(doctor blade)의 방법에 의해 수행할 수 있다.The step of applying the mixed solution is spin coating, dip coating, ink-jet printing, spray coating, screen printing, drop casting Or by a method of doctor blade.

또한, 상기 용매 보조 어닐링(solvent assisted annealing)하는 단계를 수행한 후에, 열처리(thermal annealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.Further, after performing the solvent assisted annealing step, the method may further include thermal annealing.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 이용하여 광활성층을 형성함으로써, 전자 받개 물질의 결정도를 향상시키는 한편, 전자 주개 물질의 결정도를 유지시켜 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 접촉 면적을 증가시키고, 이를 통해 D-A 계면에서의 엑시톤의 분리를 촉진하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, by forming a photoactive layer using a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal, the crystallinity of the electron acceptor material is improved, while the crystallinity of the electron donor material is maintained to maintain the crystallinity of the electron donor material. Increasing the contact area of the material, thereby promoting the separation of excitons at the DA interface to improve the photoelectric conversion efficiency.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저 하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지를 나타낸 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지는 기판(10), 제1 전극(20), 광활성층(30), 제2 전극(40)을 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention may include a substrate 10, a first electrode 20, a photoactive layer 30, and a second electrode 40. have.

상기 기판(10)은 유기 태양전지를 지지하기 위해 사용되는 것으로 투명한 유리 기판 또는 PET(Poly Ethylene Terephthlate), PES(Polyethersulphone), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide), PEN(Polyethylene Naphthalate) 또는 PAR(Polyarylate) 중에서 선택된 투명 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.The substrate 10 is used to support an organic solar cell, a transparent glass substrate or poly ethylene terephthlate (PET), polyethersulphone (PES), polycarbonate (PC), polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), or PAR Polyarylate) may be used a transparent plastic substrate. But it is not limited thereto.

상기 제1 전극(20)은 상기 기판(10) 상에 위치하며, 상기 기판(10)을 통과한 빛이 후술하는 광활성층(30)에 도달하도록 투명한 물질인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 전극(20)은 일함수가 높으며 낮은 저항을 갖는 전도성 물질이 사용된다. 이 경우, 상기 제1 전극(20)을 형성하는 물질은 AZO(Al-doped Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide)계 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The first electrode 20 is positioned on the substrate 10, and preferably made of a transparent material so that light passing through the substrate 10 reaches the photoactive layer 30 to be described later. In addition, the first electrode 20 is a conductive material having a high work function and low resistance. In this case, the material forming the first electrode 20 may be Al-doped Zinc Oxide (AZO), Indium Tin Oxide (ITO), Fluorine-doped Tin Oxide (FTO), Indium Zinc Oxide (IZO), or the like. It may be selected from the group consisting of a mixture.

상기 광활성층(30)은 상기 제1 전극(20) 상에 위치한다. 상기 광활성층(30) 은 전자 주개(electron donor, D) 물질과 전자 받개(electron acceptor, A)물질이 혼합된 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 가지며, 빛을 받아 전자 주개 물질에서 생성된 엑시톤(exciton)을 전자와 정공을 분리시켜 전류를 만들어내는 광전변환층으로의 역할을 수행한다. 보다 구체적으로, 유기 태양전지에 빛을 조사하면, 전자 주개 물질에서 빛을 흡수하여 여기 상태의 전자-정공쌍(exciton, 엑시톤)이 형성되고, 이 전자-정공쌍은 임의 방향으로 확산하다가 전자 주개-전자 받개 물질 계면(D-A 계면)을 만나게 된다. 이 경우, 전자 받개 물질의 전자친화도가 전자 주개 물질보다 더 크므로 전자는 전자친화도가 큰 전자 받개 물질쪽으로 이동하고 정공은 전자 주개 물질에 남아 각각의 전하로 분리된다. 상기 분리된 전자 및 정공은 양극(제1 전극)과 음극(제2 전극)의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 축적된 전하의 농도차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다. 따라서, 상기 광활성층(30) 내의 D-A 계면이 증가할수록 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍으로부터 가까운 거리에 D-A 계면이 존재하게 되어 전자-정공쌍들이 효과적으로 전자와 정공으로 분리될 수 있으며, 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 전자 주개 물질의 전부 또는 일부로 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자(conjugated polymer)를 사용함으로써, 상대적으로 친수성이 강한 전자 받개 물질과 나노 수준의 상분리를 유발할 수 있으며, 이를 통해 전자 받개 물질의 결정도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 명세서 전체에 걸쳐서, 소수성 기능기란 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 상분리를 유발할 수 있는 정도로 전자 주개 물질보다 상대적으로 강한 소수성 을 갖는 원자단을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 상기 소수성 기능기는 일 예로, 플루오린을 함유하는 지방족 또는 방향족 화합물일 수 있다. 상기 공액고분자는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리카바졸(polycarbazole), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리실롤(polysilole), 폴리페닐렌(polyphenylene) 또는 이들의 유도체를 포함할 수 있으며, 상기 유도체는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT(poly[N-9″-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'- ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 또는 MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene])일 수 있다. 그러나 상기 물질들에 한정되는 것은 아니다. 일 예로서, 상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The photoactive layer 30 is positioned on the first electrode 20. The photoactive layer 30 has a bulk heterojunction structure in which an electron donor (D) material and an electron acceptor (A) material are mixed, and excitons generated from the electron donor material by receiving light. (exciton) acts as a photoelectric conversion layer that generates current by separating electrons and holes. More specifically, when the organic solar cell is irradiated with light, an electron donor material absorbs light to form an electron-hole pair (exciton) in an excited state, and the electron-hole pair diffuses in an arbitrary direction and then electron donor The electron acceptor material interface (DA interface) is encountered. In this case, since the electron affinity of the electron acceptor material is greater than that of the electron donor material, electrons move toward the electron acceptor material having a high electron affinity, and holes remain in the electron donor material and are separated into respective charges. The separated electrons and holes are collected and moved to each electrode by the difference in concentration between the internal electric field and the accumulated charge formed by the work function difference between the anode (first electrode) and the cathode (second electrode). Through it flows in the form of current. Therefore, as the DA interface in the photoactive layer 30 increases, the DA interface exists at a close distance from the electron-hole pair generated by light, and the electron-hole pairs can be effectively separated into electrons and holes. Can improve the photoelectric conversion efficiency. According to the present invention, by using a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at its end as part or all of the electron donor material, it is possible to cause nano phase phase separation with a relatively hydrophilic electron acceptor material. It can improve the crystallinity of the material. Therefore, throughout the specification of the present invention, the hydrophobic functional group should be understood to refer to an atomic group having a relatively strong hydrophobicity than the electron donor material to the extent that can cause phase separation of the electron donor material and the electron acceptor material. The hydrophobic functional group may be, for example, an aliphatic or aromatic compound containing fluorine. The conjugated polymer may include polythiophene, polycarbazole, polyfluorene, polysilole, polyphenylene, or derivatives thereof. P3HT (poly (3-hexylthiophene)), PCPDTBT (poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1-b; 3,4-b '] dithiophene) -alt-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT (poly [N-9 "-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ', 7') -di-2-thienyl-2 ', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT (poly (2,7- (9- (2'-ethylhexyl) -9-hexyl-fluorene) -alt-5, 5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV (poly- [2-methoxy-5- (2'-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylene vinylene]) or MDMO-PPV (poly [2-methoxy-5- (3,7-dimethyloctyloxy) -1,4-phenylene vinylene]). However, it is not limited to the above materials. As one example, the conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal may be a compound represented by the following formula (1).

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112009041108704-pat00003
Figure 112009041108704-pat00003

상기 식에서, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 10,000,000.

상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자가 전자 주개 물질의 일부로 사용되는 경우에는 광활성층(30)을 이루는 전체 전자 주개 물질 100 중량부에 대하여 0.5 내지 95 중량부로 함유될 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10 중량부로 함유될 수 있다.When the conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal is used as part of the electron donor material, the conjugated polymer may be contained in an amount of 0.5 to 95 parts by weight based on 100 parts by weight of the total electron donor material constituting the photoactive layer 30, preferably 1 to It may be contained in 10 parts by weight.

도 2a 및 도 2b는 각각 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자가 광활성층에 도입되기 전 및 도입된 후의 광활성층의 구조를 나타낸 개략도이다.2A and 2B are schematic diagrams showing the structure of the photoactive layer before and after the conjugated polymer having a hydrophobic functional group at its end is introduced into the photoactive layer, respectively.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 도입하기 전과 후의 전자 주개 물질(32)의 결정도는 동일하지만, 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 도입하기 전보다 도입한 후의 전자 받개 물질(34)의 결정도는 향상된다. 이에 따라, 전자 주개 물질(32)과 전자 받개 물질(34)의 접촉 면적 즉, D-A 계면이 증가되므로 전자 주개 물질(32)에서 생성된 전자-정공쌍의 분리가 용이해져 광전변환효율의 증가를 가져올 수 있다.2A and 2B, the crystallinity of the electron donor material 32 before and after the introduction of the conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal is the same, but the electron after the introduction of the conjugated polymer having the hydrophobic functional group at the terminal is introduced. The crystallinity of the acceptor material 34 is improved. Accordingly, since the contact area of the electron donor material 32 and the electron acceptor material 34, that is, the DA interface is increased, separation of the electron-hole pairs generated in the electron donor material 32 is facilitated, thereby increasing the photoelectric conversion efficiency. I can bring it.

일반적으로 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 공존하는 영역에서는 전자 받개 물질이 전자 주개 물질의 사이사이에 들어가서 전자 주개 물질의 결정도 향상에 불리한 작용을 하게 된다. 따라서, 전자 받개 물질의 결정도 증가는 전자 주개 물질의 결정도 감소 및 낮은 정공 이동도를 초래하며, 결과적으로 유기 태양전지의 효율 감소를 유발할 수 있다. 그러나 본 발명에 따르면, 전자 주개 물질인 공액고분자의 말단에 도입된 소수성 기능기에 의해 전자 받개 물질의 전자 주개 물질로의 유입을 효과적으로 억제할 수 있으므로 전자 받개 물질의 결정도를 증가시키면서도 전자 주개 물질의 결정도를 유지할 수 있어 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 공액고분자의 말단에 위치한 소수성 기능기가 전자 주개 물질과 전자 받개 물질 간에 나노 수준의 미세한 상분리를 촉진하여 전자 받개 물질의 결정도를 향상시키는 동시에 전자 받개 물질에 의한 전자 주개 물질의 결정도 감소를 막는 일종의 모폴로지 컨트롤러(morphology controller)의 역할을 수행한 결과인 것이다.In general, in the region where the electron donor material and the electron acceptor material coexist, the electron acceptor material enters between the electron donor materials, thereby adversely affecting the crystallinity of the electron donor material. Therefore, an increase in the crystallinity of the electron acceptor material leads to a decrease in the crystallinity of the electron donor material and low hole mobility, resulting in a decrease in the efficiency of the organic solar cell. According to the present invention, however, the hydrophobic functional group introduced at the terminal of the conjugated polymer, which is the electron donor material, can effectively inhibit the inflow of the electron acceptor material into the electron donor material, thereby increasing the crystallinity of the electron acceptor material while increasing the crystallinity of the electron donor material. Can be maintained to improve the efficiency of the battery. It is a kind of hydrophobic functional group located at the end of conjugated polymer, which promotes nano-level fine phase separation between electron donor material and electron acceptor material, improving the crystallinity of electron acceptor material and preventing the electron acceptor material from decreasing crystallinity. It is the result of playing the role of a morphology controller.

상기 전자 받개 물질은 플러렌(fullerene: C60), 플러렌 유도체, 페릴렌(perylene), PBI(polybenzimidazole) 및 PTCBI(3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 플러렌 유도체는 PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-methylester) 또는 PCBCR((6,6)-phenyl-C61-butyric acid cholesteryl ester)일 수 있다. 그러나, 상기 물질들에 한정되는 것은 아니다.The electron acceptor material includes at least one of a fullerene (C 60 ), a fullerene derivative, a perylene, a polybenzimidazole (PBI), and a PTCBI (3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole). The fullerene derivative may be PCBM ((6,6) -phenyl-C 61 -butyric acid-methylester) or PCBCR ((6,6) -phenyl-C 61 -butyric acid cholesteryl ester). However, it is not limited to the above materials.

또한, 상기 제1 전극(20)과 상기 광활성층(30) 사이에 정공전달층(HTL)이 개재될 수 있다. 상기 정공전달층은 후술하는 광활성층(30)에서 생성된 정공이 상기 제1 전극(20)으로 용이하게 전달되도록 하는 층으로 예를 들어, MTDATA, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)) 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다.In addition, a hole transport layer HTL may be interposed between the first electrode 20 and the photoactive layer 30. The hole transport layer is a layer for easily transferring holes generated in the photoactive layer 30 to be described later to the first electrode 20, for example, MTDATA, PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene) It can be formed using a material such as poly (styrenesulfonate).

다시 도 1을 참조하면, 상기 광활성층(30) 상에 제2 전극(40)이 위치한다. 상기 제2 전극(40)은 상기 제1 전극(20)과 대향 배치되며 낮은 일함수를 갖는 물질이 사용된다. 상기 제1 전극(20)과 상기 제2 전극(40)간 일함수의 차이는 상기 광활성층(30)의 D-A 계면에서 분리된 전하를 이동시킬 전기장을 형성하게 된다. 상기 제2 전극(40)을 형성하는 물질은 Al, Ca, Mg, K, Ti, Li 과 같은 금속 또는 이들의 합금을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.Referring back to FIG. 1, the second electrode 40 is positioned on the photoactive layer 30. The second electrode 40 is disposed to face the first electrode 20 and a material having a low work function is used. The difference in work function between the first electrode 20 and the second electrode 40 forms an electric field to transfer the charge separated at the D-A interface of the photoactive layer 30. The material forming the second electrode 40 includes, but is not limited to, a metal such as Al, Ca, Mg, K, Ti, Li, or an alloy thereof.

상기 광활성층(30)과 상기 제2 전극(40) 사이에 전자전달층(ETL)이 개재될 수 있다. 상기 정공전달층은 상기 광활성층(30)에서 생성된 전자가 상기 제2 전극(40)으로 용이하게 전달되도록 하는 층으로 예를 들어, BCP(2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), LiF 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다.An electron transport layer ETL may be interposed between the photoactive layer 30 and the second electrode 40. The hole transport layer is a layer to facilitate the transfer of electrons generated in the photoactive layer 30 to the second electrode 40, for example, BCP (2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1 10-phenanthroline), LiF and the like can be used to form.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 태양전지 제조방법은 먼저 기판(10) 상에 제1 전극(20)을 형성하는 단계, 이어서 광활성층(30)을 형성하는 단계, 마지막으로 제2 전극(40)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing an organic solar cell according to another embodiment of the present invention, first forming the first electrode 20 on the substrate 10, then forming the photoactive layer 30, and finally, the second electrode 40. It may include the step of forming).

상기 기판 상에 제1 전극(20)을 형성하는 단계는 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF(Radio Frequency) 스퍼터링(sputtering) 또는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)법 등에서 적절하게 선택하여 수행할 수 있다.The forming of the first electrode 20 on the substrate may be performed by thermal evaporation, e-beam evaporation, RF (Radio Frequency) sputtering, or magnetron sputtering. Can be appropriately selected and performed.

상기 광활성층(30)을 형성하는 단계는 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 함유하는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질을 유기 용매에 혼합한 후, 혼합용액을 제1 전극(20) 상에 도포함으로써 수행할 수 있다. 이로써, 상기 광활성층(30)을 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 형태로 형성하게 된다.The photoactive layer 30 may be formed by mixing an electron donor material containing an conjugated polymer having a hydrophobic functional group and an electron acceptor material in an organic solvent, and then applying a mixed solution onto the first electrode 20. Can be done. As a result, the photoactive layer 30 is formed in the form of a bulk heterojunction.

상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal may be a compound represented by the following formula (1).

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112009041108704-pat00004
Figure 112009041108704-pat00004

상기 식에서, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 10,000,000.

상기 혼합용액을 제1 전극(20) 상에 도포하는 단계는 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅 (dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 드롭 캐스팅(drop casting) 또는 닥터 블레이드(doctor blade)의 방법 중 적절하게 선택된 용액공정에 의해 수행할 수 있다. The coating of the mixed solution on the first electrode 20 may include spin coating, dip coating, ink-jet printing, spray coating, and screen printing. It can be carried out by a solution process appropriately selected from the method of printing, drop casting or doctor blade.

또한, 상기 광활성층(30)을 형성하는 단계는 상기 혼합용액을 제1 전극(20) 상에 도포한 후, 상기 혼합용액이 도포된 제1 전극(20)이 형성된 기판(10)을 상기 혼합용액의 용매가 담긴 용기에 넣어 용매 보조 어닐링(solvent assisted annealing)하는 단계를 포함할 수 있다. 이후, 상기 용매 보조 어닐링을 거친 상기 광활성층(30)을 열처리(thermal annealing)하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 용매 보조 어닐링 및 열처리를 통하여 상기 광활성층(30)의 결정도를 더욱 증가시킬 수 있으므로 유기 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.In the forming of the photoactive layer 30, the mixed solution is coated on the first electrode 20, and then the mixed substrate 10 having the first electrode 20 coated with the mixed solution is formed. Solvent assisted annealing may be included in a container containing a solvent of the solution. Thereafter, the method may further include thermal annealing the photoactive layer 30 that has undergone the solvent assisted annealing. In this case, since the crystallinity of the photoactive layer 30 may be further increased through the solvent assisted annealing and heat treatment, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell may be improved.

상기 제2 전극(40)을 형성하는 단계는 상기 광활성층(30) 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF(Radio Frequency) 스퍼터링(sputtering) 또는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)법 등에서 적절하게 선택하여 수행할 수 있다.The forming of the second electrode 40 may include thermal evaporation, e-beam evaporation, radio frequency (RF) sputtering, or magnetron sputtering of the photoactive layer 30. The method can be appropriately selected and performed.

또한, 상기 제1 전극(20)을 형성하는 단계와 상기 광활성층(30)을 형성하는 단계 사이에 정공전달층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 광활성층(30)을 형성하는 단계와 상기 제2 전극(40)을 형성하는 단계 사이에 전자전달층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method may further include forming a hole transport layer between the forming of the first electrode 20 and the forming of the photoactive layer 30, and forming the photoactive layer 30. And forming an electron transport layer between the second electrode 40 and the step of forming the second electrode 40.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

<합성예 1: 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자(모폴로지 컨트롤러)의 합성>Synthesis Example 1: Synthesis of conjugated polymer (morphology controller) having a hydrophobic functional group at the terminal>

하기 반응식 1을 이용하여 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자(모폴로지 컨트롤러)를 합성하였다.The conjugated polymer (morphology controller) which has a hydrophobic functional group at the terminal was synthesize | combined using Reaction Scheme 1 below.

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112009041108704-pat00005
Figure 112009041108704-pat00005

500mL 2-neck flask에 화합물(1) 5g(30mmol)을 넣고 아세트산(acetic acid)과 클로로포름(CHCl3)(1:1)의 혼합용매 120ml를 넣었다. 0℃에서 NBS 60mmol을 DMF 80ml에 용해하고, 이 용액을 적정기(dropping funnel)를 이용하여 저온에서 상기 flask에 아주 천천히 주입하였다. 주입 후, 0 ℃에서 3시간 동안 반응시킨 다음 물을 넣어 퀀칭(quenching)시킨 후, 메틸렌클로라이드(CH2Cl2)로 추출하고 실리카 컬럼을 통해 정제된 화합물(2)를 얻었다. (수율: 90 %)5 g (30 mmol) of Compound (1) was added to a 500 mL 2-neck flask, and 120 ml of a mixed solvent of acetic acid and chloroform (CHCl 3 ) (1: 1) was added thereto. 60 mmol of NBS was dissolved in 80 ml of DMF at 0 ° C, and the solution was injected very slowly into the flask at low temperature using a dropping funnel. After injection, the mixture was reacted at 0 ° C. for 3 hours, quenched with water, extracted with methylene chloride (CH 2 Cl 2 ), and purified through silica column to obtain compound (2). (Yield 90%)

화합물(2) 5g(15.33mmol)을 질소 치환된 2-neck flask에 넣은 후, 건조된 THF 30ml를 넣어 녹이고 잘 저어주면서 MeMgBr 4.8mmol을 서서히 첨가한 후, 1시간 동안 환류(reflux)하였다. 그 후 온도를 상온으로 낮추고 Ni(dppp)Cl2 촉매 0.37mmol을 넣고 상온에서 30분 동안 교반하여 화합물(3)을 만들고, 바로 삼플루오로비닐 에테르(trifluorovinyl ether)가 도입된 그리냐르 시약(Grignard reagent) 인 화합물(4) 4.8mmol을 넣고 상온에서 2시간 반응시켰다. 반응 후 메탄올에 침전하고 필터하여 화합물(5)를 합성하였다. (수율: 50 %)5 g (15.33 mmol) of Compound (2) was placed in a nitrogen-substituted 2-neck flask, and 30 ml of dried THF was added to dissolve and stir well, and 4.8 mmol of MeMgBr was slowly added thereto, followed by reflux for 1 hour. After the temperature was lowered to room temperature, 0.37 mmol of Ni (dppp) Cl 2 catalyst was added thereto, followed by stirring at room temperature for 30 minutes to form compound (3). The Grignard reagent immediately introduced with trifluorovinyl ether (Grignard) was introduced. 4.8 mmol of phosphorus compound (4) was added thereto and reacted at room temperature for 2 hours. After the reaction, precipitated in methanol and filtered to synthesize Compound (5). (Yield 50%)

<비교예 1:>Comparative Example 1:

제1 전극으로 ITO가 코팅된 유리 기판을 사용하였고, 제1 전극 상에 정공전달층으로 PEDOT:PSS를 20nm 두께로 코팅하였다. P3HT와 PCBM의 혼합물 50mg(1:1의 중량비)을 다이클로로벤젠 1ml에 녹여 혼합용액을 제조한 후, 정공전달층 상에 스핀 코팅하여 200nm 두께로 광활성층을 형성하였다. A glass substrate coated with ITO was used as the first electrode, and PEDOT: PSS was coated with a hole transport layer to a thickness of 20 nm on the first electrode. 50 mg (1: 1 weight ratio) of the mixture of P3HT and PCBM was dissolved in 1 ml of dichlorobenzene to prepare a mixed solution, followed by spin coating on the hole transport layer to form a photoactive layer having a thickness of 200 nm.

<실험예 1>Experimental Example 1

제1 전극으로 ITO가 코팅된 유리 기판을 사용하였고, 제1 전극 상에 정공전달층으로 PEDOT:PSS를 20nm 두께로 코팅하였다. P3HT와 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 98:2의 중량비로 혼합하고, 이 혼합물과 PCBM을 1:1의 중량비로 혼합하였다. 최종 혼합물 50mg을 다이클로로벤젠 1ml에 녹여 혼합용액을 제조한 후, 정공전달층 상에 스핀 코팅하여 200nm 두께로 광활성층을 형성하였다.A glass substrate coated with ITO was used as the first electrode, and PEDOT: PSS was coated with a hole transport layer to a thickness of 20 nm on the first electrode. P3HT and Compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 were mixed in a weight ratio of 98: 2, and the mixture and PCBM were mixed in a weight ratio of 1: 1. 50 mg of the final mixture was dissolved in 1 ml of dichlorobenzene to prepare a mixed solution, and then spin-coated on the hole transport layer to form a photoactive layer having a thickness of 200 nm.

<실험예 2>Experimental Example 2

P3HT와 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 70:30의 중량비로 혼합한 것을 제외하고는, 상기 실험예 2의 방법과 동일한 방법을 수행하여 광활성층을 형성하였다.A photoactive layer was formed by the same method as Experimental Example 2, except that P3HT and Compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 were mixed at a weight ratio of 70:30.

도 3은 상기 비교예 1, 실험예 1 및 실험예 2에 따라 각각 제조된 광활성층의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다. 3 is a X-ray diffraction (XRD) graph of the photoactive layer prepared according to Comparative Example 1, Experimental Example 1 and Experimental Example 2, respectively.

도 3을 참조하면, 광활성층에 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 도입하지 않은 경우(비교예 1)나, 도입한 경우(실험예 1 및 실험예 2)에도 P3HT의 결정도에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, the crystallinity of P3HT is affected even when the compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 is not introduced into the photoactive layer (Comparative Example 1) or when it is introduced (Experimental Example 1 and Experimental Example 2). It can be seen that does not have.

도 4a 내지 도 4c는 각각 상기 비교예 1, 실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조된 광활성층의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다. 각 이미지에서 흰색 부분은 P3HT를, 검은색 부분은 PCBM을 나타낸다.4A to 4C are TEM (Transmission Electron Microscope) images of the photoactive layers prepared according to Comparative Example 1, Experimental Example 1, and Experimental Example 2, respectively. In each image, the white part represents P3HT and the black part represents PCBM.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 광활성층에 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 도입하지 않은 경우(도 4a, 비교예 1) 보다 도입한 경우(도 4b, 실험예 1 및 도 4c, 실험예 2)에 P3HT와 PCBM 간에 뚜렷한 상분리가 나타남을 알 수 있다. 따라서, 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)의 도입에 의해 전자 주개 물질과 전자 받개 물질 간에 나노 수준의 미세한 상분리가 촉진됨을 확인할 수 있다.4A to 4C, when the compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 was not introduced into the photoactive layer (FIG. 4A and Comparative Example 1), the case was introduced (FIG. 4B, Experimental Example 1 and FIG. 4C). , Experimental Example 2) it can be seen that a distinct phase separation between P3HT and PCBM. Therefore, it can be seen that the nano phase fine phase separation between the electron donor material and the electron acceptor material is promoted by the introduction of the compound (5) synthesized in Synthesis Example 1.

도 5는 상기 비교예 1, 실험예 1 및 실험예 2에 따라 각각 제조된 광활성층의 SAED(selected-area electron diffraction) 패턴이다.5 is a selected-area electron diffraction (SAED) pattern of the photoactive layer prepared according to Comparative Example 1, Experimental Example 1 and Experimental Example 2, respectively.

도 5를 참조하면, 광활성층에 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 도입하지 않은 경우(비교예 1) 보다 도입한 경우(실험예 1 및 실험예 2)에 PCBM의 결정도 가 증가함을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, the crystallinity of PCBM is increased when the compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 is not introduced into the photoactive layer (Comparative Example 1) than when introduced (Experimental Example 1 and Experimental Example 2). It can be seen.

따라서, 상기 도 3, 도 4a 내지 도 4c 및 도 5에 나타난 결과를 종합 해석하면, 광활성층에 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자(모폴로지 컨트롤러)를 도입함으로써, 전자 주개 물질의 결정도를 유지시키는 동시에 전자 받개 물질의 결정도를 증가시켜 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 접촉 면적을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 나아가, 증가된 D-A 계면에 의해 엑시톤의 분리가 촉진되므로 유기 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있음을 예상할 수 있다.Therefore, when the results shown in FIGS. 3, 4A to 4C, and 5 are comprehensively analyzed, a conjugated polymer (morphology controller) having a hydrophobic functional group at the terminal is introduced into the photoactive layer, thereby maintaining the crystallinity of the electron donor material. It can be seen that the crystallinity of the electron acceptor material can be increased to increase the contact area of the electron donor material and the electron acceptor material. Furthermore, since the exciton separation is promoted by the increased D-A interface, it can be expected that the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell can be improved.

<비교예 2>Comparative Example 2

제1 전극으로 ITO가 코팅된 유리 기판을 사용하였고, 제1 전극 상에 정공전달층으로 PEDOT:PSS를 20nm 두께로 코팅하였다. P3HT와 PCBM의 혼합물 50mg(1:1의 중량비)을 다이클로로벤젠 1ml에 녹여 혼합용액을 제조한 후, 정공전달층 상에 스핀 코팅하여 200nm 두께로 광활성층을 형성하였다. 다음, 광활성층이 형성된 기판을 소량의 다이클로로벤젠이 담긴 샬렛에 2시간 동안 넣어 서서히 필름이 형성되도록 하였다. 이후, 광활성층 상에 차례로 Ca과 Al을 각각 25nm와 100nm의 두께로 진공 증착하여 제2 전극을 형성함으로써 유기 태양전지를 제조하였다.A glass substrate coated with ITO was used as the first electrode, and PEDOT: PSS was coated with a hole transport layer to a thickness of 20 nm on the first electrode. 50 mg (1: 1 weight ratio) of the mixture of P3HT and PCBM was dissolved in 1 ml of dichlorobenzene to prepare a mixed solution, followed by spin coating on the hole transport layer to form a photoactive layer having a thickness of 200 nm. Next, the substrate on which the photoactive layer was formed was put in a chalet containing a small amount of dichlorobenzene for 2 hours to gradually form a film. Thereafter, Ca and Al were sequentially vacuum deposited on the photoactive layer to a thickness of 25 nm and 100 nm to form a second electrode, thereby manufacturing an organic solar cell.

<제조예 1><Manufacture example 1>

P3HT와 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 98:2의 중량비로 혼합하고, 이 혼합물과 PCBM을 1:1의 중량비로 혼합한 것을 제외하고는, 상기 비교예 2의 방법과 동일한 방법을 수행하여 유기 태양전지를 제조하였다.The same method as in Comparative Example 2, except that P3HT and Compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 were mixed in a weight ratio of 98: 2, and the mixture and PCBM were mixed in a weight ratio of 1: 1. To perform an organic solar cell was prepared.

도 6a 및 6b는 각각 상기 비교예 2 및 제조예 1에 따라 제조된 유기 태양전지의 효율 특성을 나타낸 전류-전압 곡선이다.6A and 6B are current-voltage curves showing efficiency characteristics of organic solar cells manufactured according to Comparative Example 2 and Preparation Example 1, respectively.

도 6a 및 6b를 참조하면, 광활성층에 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 도입하지 않은 경우(비교예 2) 보다 도입한 경우(제조예 1)에 유기 태양전지의 광전변환효율이 향상됨을 알 수 있다.6A and 6B, when the compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 was not introduced (Comparative Example 2) into the photoactive layer (Comparative Example 2), the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell was increased. It can be seen that the improvement.

<비교예 3>Comparative Example 3

제1 전극으로 ITO가 코팅된 유리 기판을 사용하였고, 제1 전극 상에 정공전달층으로 PEDOT:PSS를 20nm 두께로 코팅하였다. P3HT와 PCBM의 혼합물 50mg(1:1의 중량비)을 다이클로로벤젠 1ml에 녹여 혼합용액을 제조한 후, 정공전달층 상에 스핀 코팅하여 200nm 두께로 광활성층을 형성하였다. 다음, 광활성층이 형성된 기판을 소량의 다이클로로벤젠이 담긴 샬렛에 2시간 동안 넣어 서서히 필름이 형성되도록 하고, 110℃에서 10분간 열처리 하였다. 이후, 광활성층 상에 차례로 Ca과 Al을 각각 25nm와 100nm의 두께로 진공 증착하여 제2 전극을 형성함으로써 유기 태양전지를 제조하였다.A glass substrate coated with ITO was used as the first electrode, and PEDOT: PSS was coated with a hole transport layer to a thickness of 20 nm on the first electrode. 50 mg (1: 1 weight ratio) of the mixture of P3HT and PCBM was dissolved in 1 ml of dichlorobenzene to prepare a mixed solution, followed by spin coating on the hole transport layer to form a photoactive layer having a thickness of 200 nm. Next, the substrate on which the photoactive layer was formed was put in a chalet containing a small amount of dichlorobenzene for 2 hours to gradually form a film, and then heat-treated at 110 ° C. for 10 minutes. Thereafter, Ca and Al were sequentially vacuum deposited on the photoactive layer to a thickness of 25 nm and 100 nm to form a second electrode, thereby manufacturing an organic solar cell.

<제조예 2><Manufacture example 2>

P3HT와 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 98:2의 중량비로 혼합하고, 이 혼합물과 PCBM을 1:1의 중량비로 혼합한 것을 제외하고는, 상기 비교예 3의 방법과 동일한 방법을 수행하여 유기 태양전지를 제조하였다.The same method as in Comparative Example 3, except that P3HT and Compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 were mixed in a weight ratio of 98: 2, and the mixture and PCBM were mixed in a weight ratio of 1: 1. To perform an organic solar cell was prepared.

도 7a 및 7b는 각각 상기 비교예 3 및 제조예 2에 따라 제조된 유기 태양전지의 효율 특성을 나타낸 전류-전압 곡선이다.7A and 7B are current-voltage curves showing efficiency characteristics of organic solar cells manufactured according to Comparative Example 3 and Preparation Example 2, respectively.

도 7a 및 7b를 참조하면, 광활성층에 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 도입하지 않은 경우(비교예 3) 보다 도입한 경우(제조예 2)에 유기 태양전지의 광전변환효율이 향상됨을 알 수 있다.Referring to FIGS. 7A and 7B, when the compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 was not introduced (Comparative Example 3) into the photoactive layer (Comparative Example 3), the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell was increased. It can be seen that the improvement.

또한, 도 6a와 도 7a, 도 6b와 도 7b를 각각 비교하면, 광활성층 형성 후에 열처리를 해주는 경우 유기 태양전지의 광전변환효율을 더욱 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.6A and 7A, and 6B and 7B, respectively, it can be seen that when the heat treatment is performed after the photoactive layer is formed, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell can be further improved.

도 8a 및 도 8b는 상기 비교예 2, 제조예 1, 비교예 3 및 제조예 2에 따라 각각 제조된 유기 태양전지의 암(dark) 상태에서 측정된 전류-전압 곡선이다.8A and 8B are current-voltage curves measured in a dark state of organic solar cells manufactured according to Comparative Example 2, Preparation Example 1, Comparative Example 3, and Preparation Example 2, respectively.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 상기 합성예 1에서 합성된 화합물(5)를 도입하지 않은 경우(비교예 2 및 비교예 3) 보다 도입한 경우(제조예 1 및 제조예 2)에 유기 태양전지의 직렬저항(series resistance)이 감소하고(도 8a), 정류(rectification)비율이 증가함을 알 수 있다(도 8b). 이는, 앞서 살펴본 바와 같 이 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자 도입에 의한 광활성층의 결정도 개선에 따른 것으로서, 궁극적으로 전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있음을 강력하게 시사하는 것이다.Referring to FIGS. 8A and 8B, an organic embodiment is obtained when the compound (5) synthesized in Synthesis Example 1 is not introduced (Comparative Example 2 and Comparative Example 3) than when introduced (Preparation Example 1 and Preparation Example 2). It can be seen that the series resistance of the battery decreases (FIG. 8A) and the rectification rate increases (FIG. 8B). This suggests that the crystallinity of the photoactive layer is improved by introducing a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal as described above, and ultimately suggests that the photoelectric conversion efficiency of the battery can be improved.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. You can change it.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지를 나타낸 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b는 각각 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자가 광활성층에 도입되기 전 및 도입된 후의 광활성층의 구조를 나타낸 개략도이다.2A and 2B are schematic diagrams showing the structure of the photoactive layer before and after the conjugated polymer having a hydrophobic functional group at its end is introduced into the photoactive layer, respectively.

도 3은 비교예 1, 실험예 1 및 실험예 2에 따라 각각 제조된 광활성층의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다. 3 is an X-ray diffraction (XRD) graph of the photoactive layers prepared according to Comparative Example 1, Experimental Example 1, and Experimental Example 2, respectively.

도 4a 내지 도 4c는 각각 비교예 1, 실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조된 광활성층의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다.4A to 4C are TEM (Transmission Electron Microscope) images of the photoactive layers prepared according to Comparative Example 1, Experimental Example 1, and Experimental Example 2, respectively.

도 5는 비교예 1, 실험예 1 및 실험예 2에 따라 각각 제조된 광활성층의 SAED(selected-area electron diffraction) 패턴이다.5 is a selected-area electron diffraction (SAED) pattern of the photoactive layer prepared according to Comparative Example 1, Experimental Example 1 and Experimental Example 2, respectively.

도 6a 및 6b는 각각 비교예 2 및 제조예 1에 따라 제조된 유기 태양전지의 효율 특성을 나타낸 전류-전압 곡선이다.6A and 6B are current-voltage curves showing efficiency characteristics of organic solar cells manufactured according to Comparative Example 2 and Preparation Example 1, respectively.

도 7a 및 7b는 각각 비교예 3 및 제조예 2에 따라 제조된 유기 태양전지의 효율 특성을 나타낸 전류-전압 곡선이다.7A and 7B are current-voltage curves showing efficiency characteristics of organic solar cells manufactured according to Comparative Example 3 and Preparation Example 2, respectively.

도 8a 및 도 8b는 비교예 2, 제조예 1, 비교예 3 및 제조예 2에 따라 각각 제조된 유기 태양전지의 암(dark) 상태에서 측정된 전류-전압 곡선이다.8A and 8B are current-voltage curves measured in a dark state of organic solar cells manufactured according to Comparative Example 2, Preparation Example 1, Comparative Example 3, and Preparation Example 2, respectively.

Claims (13)

서로 대향 배치되는 제1 전극과 제2 전극; 및First and second electrodes disposed to face each other; And 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하고 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 혼합된 광활성층을 포함하며,A photoactive layer disposed between the first electrode and the second electrode and having an electron donor material and an electron acceptor material mixed therein; 상기 전자 주개 물질은 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 함유하되,The electron donor material contains a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at its end, 상기 소수성 기능기는 플루오린을 함유하는 지방족 또는 방향족 화합물이고, 상기 공액고분자는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리카바졸(polycarbazole), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리실롤(polysilole), 폴리페닐렌(polyphenylene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 유기 태양전지.The hydrophobic functional group is an aliphatic or aromatic compound containing fluorine, and the conjugated polymer is polythiophene, polycarbazole, polyfluorene, polysilole, polysilole, polyphenylene ( polyphenylene) and at least one selected from the group consisting of organic solar cells. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유도체는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT(poly[N-9″-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'- ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 또는 MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene])인 유기태양전지.The derivative is P3HT (poly (3-hexylthiophene)), PCPDTBT (poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1-b; 3,4-b ' ] dithiophene) -alt-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT (poly [N-9 ″ -hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ') , 7'-di-2-thienyl-2 ', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT (poly (2,7- (9- (2'-ethylhexyl) -9-hexyl-fluorene) -alt -5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV (poly- [2-methoxy-5- (2'-ethyl -hexyloxy) -1,4-phenylene vinylene]) or MDMO-PPV (poly [2-methoxy-5- (3,7-dimethyloctyloxy) -1,4-phenylene vinylene]). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 유기 태양전지:The conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal is an organic solar cell which is a compound represented by the following formula (1): <화학식 1><Formula 1>
Figure 112009041108704-pat00006
Figure 112009041108704-pat00006
상기 식에서, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 10,000,000.
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광활성층을 이루는 전체 전자 주개 물질 100 중량부에 대하여 상기 말 단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자가 0.5 내지 95 중량부로 함유되는 유기 태양전지.An organic solar cell containing from 0.5 to 95 parts by weight of a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the end with respect to 100 parts by weight of the total electron donor material constituting the photoactive layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광활성층을 이루는 전체 전자 주개 물질 100 중량부에 대하여 상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자가 1 내지 10 중량부로 함유되는 유기 태양전지.An organic solar cell containing 1 to 10 parts by weight of a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal with respect to 100 parts by weight of the total electron donor material constituting the photoactive layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 개재되고 상기 제1 전극 상에 위치한 정공전달층 및 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 개재되고 상기 광활성층 상에 위치한 전자수송층 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 유기 태양전지.And at least one of a hole transport layer interposed between the first electrode and the photoactive layer and positioned on the first electrode, and an electron transport layer interposed between the second electrode and the photoactive layer and positioned on the photoactive layer. Organic solar cells. 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;Forming a first electrode on the substrate; 상기 제1 전극 상에 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 함유하는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 혼합된 광활성층을 형성하는 단계; 및Forming a photoactive layer in which an electron donor material containing an conjugated polymer having a hydrophobic functional group at its end and an electron acceptor material are mixed on the first electrode; And 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하되,Forming a second electrode on the photoactive layer; 상기 소수성 기능기는 플루오린을 함유하는 지방족 또는 방향족 화합물이고, 상기 공액고분자는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리카바졸(polycarbazole), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리실롤(polysilole), 폴리페닐렌(polyphenylene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 유기 태양전지 제조방법.The hydrophobic functional group is an aliphatic or aromatic compound containing fluorine, and the conjugated polymer is polythiophene, polycarbazole, polyfluorene, polysilole, polysilole, polyphenylene ( polyphenylene) and at least any one selected from the group consisting of derivatives thereof. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 유기 태양전지 제조방법:A conjugated polymer having a hydrophobic functional group at the terminal is an organic solar cell manufacturing method is a compound represented by the following formula (1): <화학식 1><Formula 1>
Figure 112009041108704-pat00007
Figure 112009041108704-pat00007
상기 식에서, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 10,000,000.
제9항에 있어서, 상기 광활성층을 형성하는 단계는,The method of claim 9, wherein the forming of the photoactive layer, 말단에 소수성 기능기를 갖는 공액고분자를 함유하는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 혼합용액을 제1 전극 상에 도포하는 단계;Applying a mixed solution of an electron donor material and an electron acceptor material containing a conjugated polymer having a hydrophobic functional group at its terminal on the first electrode; 상기 혼합용액이 도포된 제1 전극이 형성된 기판을 상기 혼합용액의 용매가 담긴 용기에 넣어 용매 보조 어닐링(solvent assisted annealing)하는 단계를 포함하는 유기 태양전지 제조방법.And a solvent assisted annealing step of putting the substrate on which the first electrode coated with the mixed solution is formed into a container containing the solvent of the mixed solution. 제11항에 있어서, 상기 혼합용액을 도포하는 단계는,The method of claim 11, wherein applying the mixed solution, 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅 (dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 드롭 캐스팅(drop casting) 또는 닥터 블레이드(doctor blade)의 방법에 의해 수행하는 것인 유기 태양전지 제조방법Spin coating, dip coating, ink-jet printing, spray coating, screen printing, drop casting or doctor blade The organic solar cell manufacturing method to be carried out by the method of 제11항에 있어서, 상기 용매 보조 어닐링(solvent assisted annealing)하는 단계를 수행한 후에, 열처리(thermal annealing)하는 단계를 더 포함하는 유기 태양전지 제조방법.The method of claim 11, further comprising thermal annealing after performing the solvent assisted annealing.
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