KR101251447B1 - Heterocyclic Compounds and Organic Solar Cell Including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하며, 다음의 화학식의 헤테로고리 화합물을 포함하는 광활성층을 포함하는 유기태양전지를 제공한다.
[화학식]
상기 화학식에서, R1은 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고, R2는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고, R3는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고, R4는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되며, X는 S 혹은 O 중에서 선택되고, Y는 S 혹은 O 중에서 선택되며, n은 1에서 30사이의 정수임.The present invention provides an organic solar cell including a first electrode and a second electrode facing each other and a photoactive layer positioned between the first electrode and the second electrode and including a heterocyclic compound of the following formula: .
[Chemical Formula]
In the above formula, R1 is selected from a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group, and R2 is A hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group, and R3 is a hydrogen atom, a halogen atom, An alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group, R4 is a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, hetero An alkyl group, cyano group, nitro group, acyl group, substituted amino group, unsubstituted amino group, substituted aryl group or unsubstituted aryl group, X is selected from S or O, Y is selected from S or O, n is an integer from 1 to 30.
Description
본 발명은 헤테로고리 화합물 및 헤테로고리 화합물을 포함하는 유기태양전지에 관한 것이다. The present invention relates to an organic solar cell comprising a heterocyclic compound and a heterocyclic compound.
석유자원 고갈의 위기감, 교토 의정서의 기후변화 협약 발효, 신흥 개도국들의 경제성장에 따른 폭발적인 에너지 수요 등 기존 에너지와 차원이 다른 청정 무제한의 에너지가 요구되고 있으며, 국가적인 차원에서 신,재생에너지 기술개발이 진행되고 있다. There is a need for clean and unlimited energy that is different from the existing energy such as the crisis of exhaustion of oil resources, the entry into force of the Kyoto Protocol's climate change agreement, and the explosive demand for energy due to the economic growth of emerging developing countries. This is going on.
신재생 에너지 중에서 태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이며, 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 전원공급용으로 광범위하게 활용되고 있다. Among the renewable energy, solar cells are the core elements of photovoltaic power generation that converts sunlight directly into electricity, and are widely used for power supply from space to home.
이러한 태양전지는 주로 실리콘이나 화합물 반도체를 이용하고 있으나, 실리콘 또는 화합물 반도체 태양전지는 반도체 소자 제작공정으로 제조되기 때문에 제조단가가 높다. 특히 태양전지의 주된 부분을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 실리콘 원자재의 수급에 어려움을 겪고 있다. Such solar cells mainly use silicon or compound semiconductors, but silicon or compound semiconductor solar cells are manufactured in a semiconductor device manufacturing process and thus have high manufacturing costs. In particular, silicon solar cells, which occupy a major portion of solar cells, have difficulty in supplying and receiving silicon raw materials.
이러한 상황에서 실리콘 소재를 사용하지 않는 유기태양전지가 본격 연구되기 시작하였으며, 효율이 높은 유기태양전지의 대한 요구가 증대되고 있다.Under these circumstances, organic solar cells that do not use silicon materials have begun to be studied in earnest, and demand for highly efficient organic solar cells is increasing.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 광전변환효율이 높은 유기태양전지를 제공하기 위한 것이다.In this background, an object of the present invention is to provide an organic solar cell having high photoelectric conversion efficiency.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 다음의 화학식으로 표시되는 헤테로고리 화합물을 제공한다.In order to achieve the above object, in one aspect, the present invention provides a heterocyclic compound represented by the following formula.
[화학식][Chemical Formula]
상기 화학식에서, R1은 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고, In the above formula, R 1 is selected from a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group,
R2는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고,R2 is selected from hydrogen atom, halogen atom, alkyl group, alkoxy group, heteroalkyl group, cyano group, nitro group, acyl group, substituted amino group, unsubstituted amino group, substituted aryl group or unsubstituted aryl group,
R3는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고,R3 is selected from a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group,
R4는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되며,R4 is selected from a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group,
X는 S 혹은 O 중에서 선택되고, Y는 S 혹은 O 중에서 선택되며, n은 1에서 30사이의 정수임.X is selected from S or O, Y is selected from S or O, and n is an integer from 1 to 30.
다른 측면에서, 본 발명은, 서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하며, 다음의 화학식의 헤테로고리 화합물을 포함하는 광활성층을 포함하는 유기태양전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides an organic embodiment comprising a photoactive layer including a first electrode and a second electrode facing each other, and a photoactive layer positioned between the first electrode and the second electrode and including a heterocyclic compound of the formula Provide a battery.
[화학식][Chemical Formula]
상기 화학식에서, R1은 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고, In the above formula, R 1 is selected from a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group,
R2는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고,R2 is selected from hydrogen atom, halogen atom, alkyl group, alkoxy group, heteroalkyl group, cyano group, nitro group, acyl group, substituted amino group, unsubstituted amino group, substituted aryl group or unsubstituted aryl group,
R3는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고,R3 is selected from a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group,
R4는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되며,R4 is selected from a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group,
X는 S 혹은 O 중에서 선택되고, Y는 S 혹은 O 중에서 선택되며, n은 1에서 30사이의 정수임.X is selected from S or O, Y is selected from S or O, and n is an integer from 1 to 30.
상술한 바에 따르면, 본 발명의 유기태양전지는 새로운 헤테로고리 화합물을 포함함으로써 광전변환효율을 높일 수 있다. As described above, the organic solar cell of the present invention can increase the photoelectric conversion efficiency by including a new heterocyclic compound.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸다.
도 2는 헤테로고리화합물을 포함하지 않는 유기태양전지의 비교예의 전압-전류밀도 측정 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 헤테로고리화합물을 포함하는 유기태양전지의 전압-전류밀도 측정 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 사용된 헤테로고리 화합물 의 제조과정을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 헤테로고리화합물을 포함하는 유기태양전지의 전압-전류밀도 측정 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 사용된 헤테로고리 화합물 의 제조과정을 나타낸다.1 shows an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a voltage-current density measurement result of a comparative example of an organic solar cell not containing a heterocyclic compound.
3 is a voltage-current density measurement result of an organic solar cell including a heterocyclic compound according to Example 1 of the present invention.
Figure 4 shows the preparation of the heterocyclic compound used in Example 1 of the present invention.
5 is a voltage-current density measurement result of an organic solar cell including a heterocyclic compound according to Example 2 of the present invention.
Figure 6 shows the preparation of the heterocyclic compound used in Example 2 of the present invention.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. In addition, in describing the component of this invention, terms, such as 1st, 2nd, A, B, (a), (b), can be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements.
어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected to or connected to the other component, It should be understood that an element may be "connected," "coupled," or "connected."
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 헤테로고리 화합물 및 헤테로고리 화합물을 포함하는 유기태양전지를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Next, an organic solar cell including a heterocyclic compound and a heterocyclic compound according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지는 기판(100), 제1 전극(101), 광활성층(103), 및 제2 전극(105)을 포함한다. 이 때 제1 전극(101)과 제2 전극(105)은 서로 대향한다. 1 shows an organic solar cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
제1 전극(101)은 제2 전극(105)에 비하여 높은 일함수를 가진 투명전도성 물질로 이루어질 수 있다. 이 때 투명전도성물질은 ITO(indium tin oxide)를 포함할 수 있다. The
광활성층(103)은 도너 물질, 억셉터 물질 및 헤테로고리 화합물을 포함한다. 광활성층(103)은 도너(donor) 물질과 억셉터(acceptor) 물질의 2층 구조를 지니거나, 도너 물질과 억셉터 물질이 혼합된 복합박막 구조를 지닐 수 있다. 또한 광활성층(103)은 2층 구조의 도너 물질과 억셉터 물질과 더불어 도너 물질과 억셉터 물질 사이에 위치하는 복합박막을 포함할 수 있다. 헤테로고리 화합물에 대해서는 이후에 상세히 설명된다.The
이 때 광활성층(103)은 도너 물질 30 내지 80 중량%, 억셉터 물질 10 내지 65 중량% 및 헤테로고리화합물 0.1 내지 20 중량%를 포함할 수 있다. 도너 물질, 억셉터 물질, 및 헤테로고리화합물이 이와 같은 비율이 아닐 경우, 한 요소의 상(phase)이 나머지 요소의 상보다 커져 전하이동이 어려워지고 계면에 도달하기 전에 재결합이 일어나는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 광활성층(103)은 도너 물질 30 내지 80 중량%, 억셉터 물질 10 내지 65 중량% 및 헤테로고리화합물 0.1 내지 20 중량%를 포함할 경우 각 요소의 적절한 상분리가 이루어져 고효율이 구현된다. In this case, the
제2 전극(105)은 제1 전극(101)에 비하여 낮은 일함수를 가진 물질로 이루어지며 Al이나 Ca 등을 포함할 수 있다.The
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지에 빛이 입사되면, 빛은 기판(100), 제1 전극(101)을 거쳐 광활성층(103)에 도달한다. 빛은 광활성층(103)에 존재하는 도너 물질에 흡수되어 여기 상태의 전자-홀 쌍이 형성된다. When light is incident on the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention, the light reaches the
전자-홀 쌍은 임의의 방향으로 확산하다가 억셉터 물질의 계면을 만나면 전자와 정공으로 분리된다. 즉, 전자는 전자 친화도가 큰 억셉터 물질로 이동하고 홀은 도너 물질에 남아 전자-홀 쌍은 전자와 정공으로 분리된다. The electron-hole pairs diffuse in any direction and then split into electrons and holes when they meet the interface of the acceptor material. That is, the electrons move to the acceptor material with high electron affinity, and the holes remain in the donor material, and the electron-hole pair is separated into electrons and holes.
분리된 전자와 홀은 제1 전극(101) 및 제2 전극(105) 사이의 일함수 차이로 형성된 내부 자기장과 전하의 농도 차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐른다.Separated electrons and holes are collected and moved to each electrode by the concentration difference between the internal magnetic field and the charge formed by the work function difference between the
한편, 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지는 버퍼층의 역할을 수행하며 제1 전극(101)과 광활성층(103) 사이에 위치하는 정공수송층(102)과, 버퍼층의 역할을 수행하며 광활성층(103)과 상기 제1 전극(101)에 비하여 낮은 일함수를 가진 제2 전극(105) 사이에 위치하는 전자수송층(104)을 더 포함할 수 있다. 즉, 정공수송층(102)은 홀이 일함수가 높은 제1 전극(101)으로 이동하는 것을 용이하게 하고, 전자수송층(104)는 전자가 일함수가 낮은 제2 전극(105)으로 이동하는 것을 용이하게 한다. On the other hand, the organic solar cell according to an embodiment of the present invention serves as a buffer layer and the
다음으로 앞서 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지의 제조 방법에 대해 설명된다.Next, a method of manufacturing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention is described above.
<기판 및 제1 전극의 형성 및 세정공정> <Formation and Cleaning Process of Substrate and First Electrode>
기판(100)을 통하여 빛이 입사될 경우 기판(100)은 광투과성을 갖는 물질로 형성되며, 무색 투명한 물질로 이루어질 수도 있고, 착색되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 기판(100)은 소다라임 유리나 무알칼리 유리와 같은 투명 유리기판이나, 폴리에스테르, 폴리아미드, 에폭시 수지와 같은 플라스틱 필름을 포함할 수 있다.When light is incident through the
제1 전극(101)은 투명도전성물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(101)은 In2O3, ITO(indium-tin oxide), IGZO(indium-galliumzincoxide), ZnO, AZO(Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), SnO2, FTO(Fluorine-dopedtin oxide; SnO2:F), ATO(Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 등과 같이 인듐(In), 틴(Sn), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 알루미늄(Al)과 같은 금속의 단독 혹은 복합산화물일 수 있다.The
제1 전극(101)은 DC 스퍼터링 방식, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD), 졸겔 코팅(sol-gel coating), 전기도금법 등으로 형성될 수 있다. 제1 전극(101)의 두께는 100 nm 이상 1,000 nm 이하일 수 있다. The
기판(100) 상부에 형성된 제1 전극(101)은 아세톤, 알콜, 물 혹은 이들의 혼합용액에 담근 후 초음파 세정이 실시될 수 있다.
The
<정공수송층 형성><Formation of hole transport layer>
정공수송층(102)은 정공을 수송하고 전자를 차단한다. 예를 들어, 정공수송층(102)은 PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(4-styrenesulfonate)], G-PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate): polyglycol(glycerol)], PANI:PSS[polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA(polyaniline: camphor sulfonic acid), PDBT[poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 아릴아민기(aryl amine group)를 가지는 저분자 물질 또는 고분자 물질, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자 물질 또는 고분자물질로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다. The
정공수송층(102)은 스핀 코팅법(spin coating), 스프레이 코팅법(spray coating), 스크린 인쇄법(screen printing), 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법(doctor blade coating) 등에 의해 형성될 수 있으며, 진공 하에서 열증착에 의해 형성될 수도 있다. 정공수송층(102)의 두께는 5 nm 이상 300 nm 이하일 수 있다. The
<광활성층 형성><Photoactive Layer Formation>
광활성층(103)은 도너 물질, 억셉터 물질 및 헤테로고리 화합물을 포함한다. The
도너 물질은 copper phthalocyanine (CuPc)과 같은 프탈로 시아닌계 안료, 인디고계 안료, 티오인디고계 안료, 멜로시아닌 화합물, 또는 시아닌 화합물 등의 저분자 화합물로 이루어질 수 있다. 또한 도너 물질은 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-ρ-phenylenevinylene) 등과 같은 페닐렌비닐렌계 고분자 유도체, 또는 poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl](PCDTBT), poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b1] dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3- benzothiadiadiazole)](PCPDTBT), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등과 같은 thiophene계 고분자 유도체를 포함하는 전도성 고분자로 이루어질 수 있다.The donor material may be made of a low molecular compound such as a phthalocyanine pigment such as copper phthalocyanine (CuPc), an indigo pigment, a thioindigo pigment, a melocyanine compound, or a cyanine compound. In addition, the donor material is poly-para-phenylene vinylene derivatives, vinyl-series polymers, such as (poly- ρ -phenylenevinylene), or poly [[9- (1-octylnonyl ) -9H-carbazole-2,7-diyl] -2 , 5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl] (PCDTBT), poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H- thiophene compounds such as cyclopenta [2,1-b; 3,4-b1] dithiophene) -alt-4,7- (2,1,3-benzothiadiadiazole)] (PCPDTBT), poly (3-hexylthiophene) (P3HT) It may be made of a conductive polymer containing a polymer derivative.
억셉터 물질은 풀러렌(fullerene; C60), [6,6]-페닐-C61-부티릭 액시드 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ether; PCBM), [6,6]-페닐-C71-부티릭 액시드 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ether; PC70BM)와 같은 풀러렌 유도체, 페릴렌(perylene)과 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실릭비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole; PTCBI)와 같은 페릴렌 유도체, ZnO, TiO2, CdS, CdSe, 또는 ZnSe와 같은 반도체 나노입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 이 때 나노 입자의 크기는 1 nm 이상 100 nm 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Acceptor materials are fullerene (C60), [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ether ([6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ether; PCBM), [6,6 Fullerene derivatives, such as] -phenyl-C71-butyric acid methyl ether, perylene, and 3,4,9,10-peptide Selected from the group consisting of perylene derivatives such as 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole (PTBBI), and semiconductor nanoparticles such as ZnO, TiO 2 , CdS, CdSe, or ZnSe It may be made of one or more. In this case, the size of the nanoparticles may be 1 nm or more and 100 nm or less, but is not limited thereto.
본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지의 광활성층(103)이 포함하는 헤테로고리 화합물은 다음의 화학식 1로 표시될 수 있다.The heterocyclic compound included in the
[화학식 1][Formula 1]
화학식 1에서, R1은 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고, R2는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되며, R3는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택되고, R4는 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 알콕시기, 헤테로알킬기, 시아노기, 니트로기, 아실기, 치환 아미노기, 비치환 아미노기, 치환 아릴기 또는 비치환 아릴기 중에서 선택된다. X는 S(황원자) 또는 O(산소원자) 중에서 선택되고, Y는 S(황원자) 또는 O(산소원자) 중에서 선택된다. n은 1에서 30 사이의 정수이다.In formula 1, R 1 is selected from a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, a heteroalkyl group, a cyano group, a nitro group, an acyl group, a substituted amino group, an unsubstituted amino group, a substituted aryl group or an unsubstituted aryl group, and
도너 물질, 억셉터 물질 및 헤테로고리 화합물이 용해되거나 분산된 용액을 이용하여 광활성층(103)이 형성된다. 이때 사용되는 용매로서는 클로로포름, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 톨루엔과 같은 극성 용매가 이용될 수 있다. 광활성층(103)은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄 등으로 형성할 수 있다.The
<전자수송층><Electronic transport layer>
전자수송층(104)은 금속전구체 졸 또는 금속전구체 용액을 이용하여 잉크젯방식, offset 인쇄방식, 그라비아 인쇄방식 등으로 형성될 수 있다. 또한 전자수송층(140)은, 불순물이 도핑된 n-type의 금속산화물 나노입자를 분산매질에 첨가제와 함께 분산시켜 제조된 잉크, 슬러리, 또는 페이스트를 이용하여 앞서 설명된 인쇄방식으로 형성될 수 있다.The
금속전구체 졸은 TiOx(1<x<2) 졸일 수 있다. 금속전구체 용액은 Cs2CO3 용액이나 titanium(diisoproxide)bis(2,4-pentadionate) 용액일 수 있다. 금속산화물 나노입자는 ZnO계 나노입자, Doped-ZnO(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga, ZnO:N 등)계 나노입자, SnO2 나노입자, ITO 나노입자, 또는 TiO2 나노입자일 수 있다.The metal precursor sol may be a TiOx (1 <x <2) sol. The metal precursor solution may be a Cs 2 CO 3 solution or a titanium (diisoproxide) bis (2,4-pentadionate) solution. The metal oxide nanoparticles may be ZnO-based nanoparticles, Doped-ZnO (ZnO: Al, ZnO: B, ZnO: Ga, ZnO: N, etc.) nanoparticles, SnO 2 nanoparticles, ITO nanoparticles, or TiO 2 nanoparticles. Can be.
이에 따라 전자수송층(104)은 금속산화물, ZnO계 나노입자, Doped-ZnO계 나노입자, SnO2 나노입자, ITO 나노입자, TiO2 나노입자, TiOx(1<x<2), Cs2CO3, titanium(diisoproxide)bis(2,4-pentadionate)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다.Accordingly, the
<제2 전극의 형성><Formation of Second Electrode>
제2 전극(105)은 광활성층(103)에서 발생한 전자를 수집한다. 제2 전극(105)의 일함수는 제1 전극(101)의 일함수보다 작으며, 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. The
제2 전극(105)은 알칼리 금속, 알칼리 금속의 할로겐화물, 알칼리 금속의 산화물, 희토류 및 이들과 다른 금속과의 합금으로 이루어질 수 있다. 예컨대 제2 전극(105)은 나트륨-칼륨 합금, 마그네슘-은 혼합물, 알루미늄-리튬 합금, 알루미늄-리튬플루오르 이중층으로 이루어질 수 있다. 제2 전극(105)은 스퍼터링 또는 진공 증착법으로 형성될 수 있으나 이에 한정 되는 것은 아니다.The
<실링공정><Sealing process>
유기태양전지는 동작 중에 수분과 산소에 의해 열화가 될 수 있으므로, 대기로부터 유기태양전지의 각 층을 차단시킬 필요가 있다. 이를 위하여 유리재질의 보호캡 중앙에 수분을 흡수할 수 있는 흡습제가 부착되고, 보호캡의 테두리에는 실링재가 디스펜싱된다. Since the organic solar cell may be degraded by moisture and oxygen during operation, it is necessary to block each layer of the organic solar cell from the atmosphere. To this end, a moisture absorbing material capable of absorbing moisture is attached to the center of the protective cap made of a glass material, and a sealing material is dispensed to the rim of the protective cap.
기판(100), 제1 전극(101), 정공수송층(102), 광활성층(103), 전자수송층(104) 및 제2 전극(105)을 포함하는 유기태양전지가 디스펜싱된 실링재 상부에 배치된후 UV 혹은 열이 가해지면 실링재가 경화된다. An organic solar cell including the
만약 UV를 이용하여 실링재를 경화시킬 경우, 광활성층(103)에 UV 광이 유입되는 것을 막기 위한 조치가 이루어져야 한다. 이는 UV에 의해 광활성층(103) 등이 열화될 수 있기 때문이다. If the sealing material is cured using UV, measures should be taken to prevent UV light from flowing into the
이상에서 설명된 방법 외에도 진공 하에서 다층 박막을 형성시키는 실링방법이 이용될 수도 있다.
In addition to the method described above, a sealing method for forming a multilayer thin film under vacuum may be used.
다음으로 본 발명의 실시예와 같이 헤테로고리 화합물을 포함하는 유기태양전지와 헤테로고리 화합물을 포함하지 않는 유기태양전지의 비교예를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지를 보다 상세히 설명한다.Next, an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail through a comparative example of an organic solar cell including a heterocyclic compound and an organic solar cell not including a heterocyclic compound.
비교예 1. Comparative Example 1
비교예1은 헤테로고리 화합물을 포함하지 않는 유기태양전지이다. Comparative Example 1 is an organic solar cell that does not contain a heterocyclic compound.
기판(100) 상부에 ITO로 이루어진 제1 전극(101)이 형성된다. 이 때 ITO는 15 Ω/sq의 시트 저항과 1,500 Å의 두께를 지닌다. A
제1 전극(101)이 형성된 기판(100)은 아세톤, 세미코크린(풀우치과학사제), 이소프로필 알코올((주)덕산화학제)에 담궈지고 15 분간 초음파세정이 이뤄진 후 건조된다. 대기압 플라즈마 표면처리 장치에서 3분 동안 제1 전극(101)이 형성된 기판(100)의 표면처리가 이뤄진다. The
폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트(스탈크사제, PEDOT:PSS라 약칭함)으로 스핀 코팅이 이루어져 40 nm의 막두께를 지닌 정공수송층(102)이 제1 전극(101) 상에 형성된다. 제1 전극(101)과 정공수송층(102)이 형성된 기판(100)은 140 °C에서 15 분간 건조된 후, 노점 -76℃ 이하, 산소 1 ppm이하의 드라이 질소 분위기의 글러브 박스로 이송된다. Spin coating is performed with polyethylenedioxythiophene: polystyrenesulfonate (manufactured by Stalk, PEDOT: PSS) to form a
도너 물질로서 위치 규칙적인 폴리 트리 헥실티오펜(Rieke Metals 제, P3HT라 약칭한다) 15 mg과, 억셉터 물질로서 풀러렌 유도체인 [6,6]-페닐C61-부티릭 애시드 메틸 에스테르 (Nano-C제, PCBM이라 약칭한다) 12 mg이 1mL의 클로로벤젠에 용해되어 형성된 용액이 스핀 코팅에 의해 정공수송층(102) 위에 도포된다. 이에 따라 막두께 100 nm의 광활성층(103)이 형성되며, 광활성층(103)은 50 °C에서 40 분간 건조된다. 15 mg of regioregular polytrihexylthiophene (referred to as P3HT) as donor material and [6,6] -phenylC61-butyric acid methyl ester (Nano-C), a fullerene derivative as acceptor material First, a solution formed by dissolving 12 mg in 1 mL of chlorobenzene is applied on the
이후 기판(100)은 진공증착장치에 세팅되고, 광활성층(103) 위에 0.5 nm의 막두께를 지닌 리튬플로라이드가 형성되고 그 위에 100 nm의 Al 박막이 진공증착법으로 형성됨으로써 2층 구조의 제2 전극(105)이 형성된다.Subsequently, the
이와 같이 제2 전극(105)이 형성된 기판(100)은 질소분위기의 글러브박스로 이동되고 실링공정을 거쳐 유기태양전지가 제조된다. 제작된 유기태양전지는 150 °C로 맞추어진 핫플레이트 위에서 30분간 열처리된다. As such, the
비교예 1에서 제작된 헤테로고리 화합물이 첨가되지 않은 유기태양전지의 전압-전류밀도는 Keithley 236 Source Measurement 와 Solar Simulator (300W simulator models 81150 and 81250, Spectra physics Co.)를 사용하여 표준 조건 (AM 1.5, 100 mW/cm2, 25 °C)에서 측정되었다. 이와 같이 헤테로고리 화합물을 포함하지 않는 유기태양전지의 Voc 값은 0.63 V이고, Jsc 값은 8.07 Ma/cm2이며, 곡선인자는 60.3%, 광전변환효율은 3.1 %였다.
The voltage-current density of the organic solar cell to which the heterocyclic compound was not added in Comparative Example 1 was measured using Keithley 236 Source Measurement and Solar Simulator (300W simulator models 81150 and 81250, Spectra physics Co.) under standard conditions (AM 1.5). , 100 mW / cm 2 , 25 ° C). As such, the organic solar cell having no heterocyclic compound had a Voc value of 0.63 V, a Jsc value of 8.07 Ma / cm 2 , a curve factor of 60.3%, and a photoelectric conversion efficiency of 3.1%.
실시예 1 Example 1
비교예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중에서 P3HT 15 mg과 풀러렌 유도체인 PCBM 12 mg을 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액에 헤테로고리 화합물인 2,2',5,5'-tetrathiophene-3,3'-hexyl-dithiophene (TTHT)를 10 wt% 첨가하여 광활성층(103)을 형성한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지가 제조되었다. 2,2 ', 5,5'-tetrathiophene-3, a heterocyclic compound, was prepared in a solution prepared by dissolving 15 mg of P3HT and 12 mg of PCBM, a fullerene derivative, in 1 mL of chlorobenzene in the solar cell manufacturing process shown in Comparative Example 1. An organic solar cell was manufactured in the same manner except that 10 wt% of 3'-hexyl-dithiophene (TTHT) was added to form the
도 3에 도시된 바와 같이, 이와 같이 제작된 본 발명의 실시예 1에 따라 유기태양전지의 Voc 값은 0.68 V이고, Jsc 값은 16.7 mA/cm2, 곡선 인자는 69 %로 측정되었으며, 광전변환효율은 7.8 %였다. As shown in FIG. 3, the organic solar cell had a Voc value of 0.68 V, a Jsc value of 16.7 mA / cm 2 , and a curve factor of 69% according to Example 1 of the present invention. The conversion efficiency was 7.8%.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지에 포함되는 헤테로고리 화합물인 TTHT의 제조과정을 나타낸다.Figure 4 shows the manufacturing process of the heterocyclic compound TTHT contained in the organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
제1 3구 둥근 바닥 플라스크(3-necked round bottomed flask) 내부의 공기가 Ar으로 치환된 후 주사기를 이용하여 마그네슘(1.43 g, 0.058 mol)과 정제된 dry ether 20ml가 제1 3구 둥근 바닥 플라스크에 채워진 후 40 ℃로 유지된다. 또한 1,6-dibromohexane (4.78 g, 0.0196 mol)은 적하 깔때기(dropping funnel)을 이용하여 제1 3구 둥근 바닥 플라스크의 내부로 떨어뜨린다. 이후 제1 3구 둥근 바닥 플라스크의 온도를 50℃를 유지하면서 3구 둥근 바닥 플라스크는 3시간 동안 교반된다. After replacing the air in the first three-necked round bottom flask with Ar, magnesium (1.43 g, 0.058 mol) and 20 ml of purified dry ether in a first three-neck round bottom flask were After filled in it is maintained at 40 ℃. In addition, 1,6-dibromohexane (4.78 g, 0.0196 mol) is dropped into the inside of the first three-neck round bottom flask using a dropping funnel. The three-neck round bottom flask is then stirred for three hours while maintaining the temperature of the first three-neck round bottom flask at 50 ° C.
제2 3구 둥근 바닥 플라스크 내부의 공기 역시 Ar으로 치환된 후 3-bromothiophene (8 g, 0.049 mol)이 제2 3구 둥근 바닥 플라스크에 채워진다. 또한 정제된 dry ether 30 ml가 제2 3구 둥근 바닥 플라스크에 넣어지고 [1,3-bis(diphenylphosphino)-propan]nickel(Ⅱ)dichloride 0.1 g이 첨가한 후 제2 3구 둥근 바닥 플라스크는 60 ℃에서 교반된다. After the air inside the second three-neck round bottom flask is also replaced by Ar, 3-bromothiophene (8 g, 0.049 mol) is charged to the second three-neck round bottom flask. In addition, 30 ml of purified dry ether was placed in a second three-neck round bottom flask and 0.1 g of [1,3-bis (diphenylphosphino) -propan] nickel (II) dichloride was added. It is stirred at ℃.
제1 3구 둥근 바닥 플라스크에서 만들어진 magnesium bromide는 주사기를 이용하여 적하 깔때기를 통하여 제2 3구 둥근 바닥 플라스크 내부로 떨어진다. 이후 제2 3구 둥근 바닥 플라스크는 60 ℃를 유지하고 6 시간 동안 교반된다. Magnesium bromide made from the first three-neck round bottom flask is dropped into the second three-neck round bottom flask through a dropping funnel using a syringe. The second three neck round bottom flask was then kept at 60 ° C. and stirred for 6 hours.
반응이 끝난 후 chloroform을 이용하여 추출(extraction)한다. 제2 3구 둥근 바닥 플라스크의 유기층을 모아 유기층의 용매가 제거되고 메탄올(methanol)을 이용하여 용매가 제거된 유기층을 침전시킴으로써 흰색 고체의 3,3'-hexyl-dithiophene이 생성된다. 메탄올을 이용하여 필터 과정을 거치면 흰색 고체인 3,3'-hexyl-dithiophene 3.4 g (70 %)이 얻어진다. After the reaction, the extraction is performed using chloroform. The organic layer of the second three-neck round bottom flask was collected to remove the solvent from the organic layer, and precipitated the organic layer from which the solvent was removed by using methanol (methanol) to generate a white solid 3,3'-hexyl-dithiophene. Filtering with methanol yields 3.4 g (70%) of 3,3'-hexyl-dithiophene as a white solid.
이와 같이 얻어진 흰색 고체를 1H-NMR 분광기(300MHz, 기준 용매 CDCl3)로 분석하면 δ 7.37-7.34(m, 2H), 3.08-3.03(t, 2H), 2.08-1.98(m,2H), 1.84-1.69(m, 2H)와 같은 결과를 얻을 수 있다.The white solid thus obtained was analyzed by 1 H-NMR spectroscopy (300 MHz, reference solvent CDCl 3 ) to determine 7.37-7.34 (m, 2H), 3.08-3.03 (t, 2H), 2.08-1.98 (m, 2H), You can get results like 1.84-1.69 (m, 2H).
다음으로, 3,3'-hexyl-dithiophene (6 g, 0.01198 mol)이 THF(Tetrahydrofuran) 40 mL에 용해된 뒤, 상온에서 N-bromosuccimide (NBS, 12.8 g, 0.072 mol)가 첨가되어 60 ℃에서 12 시간 동안 교반된다. Next, 3,3'-hexyl-dithiophene (6 g, 0.01198 mol) was dissolved in 40 mL of THF (Tetrahydrofuran), and then N-bromosuccimide (NBS, 12.8 g, 0.072 mol) was added at room temperature at 60 ° C. Stir for 12 hours.
반응이 종결되면 유기층의 용매가 제거된 후 column chromatography (ethylacetate /hexane, 1:4v/v)를 이용하여 연한 회색 고체 생성물(2,2',5,5'-tetrabromo-3,3'-hexyl- dithiophene) 5.28 g (78 %)이 획득된다. After the reaction was completed, the solvent of the organic layer was removed, and then a light gray solid product (2,2 ', 5,5'-tetrabromo-3,3'-hexyl) was purified using column chromatography (ethylacetate / hexane, 1: 4v / v). 5.28 g (78%) of dithiophene are obtained.
이와 같이 제조된 고체 생성물을 1H-NMR 분광기(300MHz, 기준 용매 CDCl3)로 분석하면 δ 6.77(s, 1H), 2.54-2.48(t, 2H), 1.56-1.26(m, 4H)와 같은 결과를 얻을 수 있다. The solid product thus prepared was analyzed by 1 H-NMR spectroscopy (300MHz, reference solvent CDCl 3 ) such as δ 6.77 (s, 1H), 2.54-2.48 (t, 2H), 1.56-1.26 (m, 4H) You can get the result.
이어서, N2 분위기 하에서 2,2',5,5'-tetrabromo-3,3'-hexyl-dithiophene(2 g, 2 mmol), tributyl-thiophen- stannane (3.3ml, 10 mmol), PdCl2(PPh3)2(0.12g,0.2mmol)이 dry THF (50 mL) 에 용해되어 60 °C에서 24 시간 동안 교반된다. 반응이 종결되면 용매가 제거되고 CH2Cl2로 반응이 종료(work-up)된다. MgSO4를 사용하여 수분이 반응의 종료(work-up) 과정을 거친 유기층으로부터 제거된다. 유기층의 용매가 제거된 후 silicagel column chromatography (dichloromethane/hexane, 1:4=v/v)를 이용하여 연한 노란색 고체 생성물인 TTHT(2,2',5,5'-tetrathiophene-3,3'-hexyl- dithiophene) 0.6 g (52 %)을 얻었다. Then, under a N 2 atmosphere, 2,2 ', 5,5'-tetrabromo-3,3' -hexyl-dithiophene (2 g, 2 mmol), tributyl-thiophen- stannane (3.3ml, 10 mmol), PdCl 2 ( PPh 3 ) 2 (0.12 g, 0.2 mmol) is dissolved in dry THF (50 mL) and stirred at 60 ° C for 24 h. When the reaction is complete the solvent is removed and the reaction is worked up with CH 2 Cl 2 . Moisture is removed from the organic layer after work-up using MgSO 4 . After the solvent in the organic layer was removed, TTHT (2,2 ', 5,5'-tetrathiophene-3,3'-, a pale yellow solid product, was purified using silicagel column chromatography (dichloromethane / hexane, 1: 4 = v / v). hexyl-dithiophene) 0.6 g (52%) was obtained.
연한 노란색 고체 생성물이 1H-NMR 분광기(기준용매 CDCl3)에 의하여 분석될 경우 δ 7.25 - 7.24(dd, 1H), 7.17 - 7.15(dd, 1H), 7.12 - 7.10(dd, 1H), 7.09-7.07(dd, 1H), 7.02(s, 1H), 7.01-6.98(dd, 1H), 6.97 6.95(dd, 1H), 2.71 2.66(t, 2H), 1.64-1.60(m, 2H), 1.38-1.37(m, 2H)와 같은 결과가 도출될 수 있다.When the pale yellow solid product is analyzed by 1 H-NMR spectroscopy (reference solvent CDCl 3 ) δ 7.25-7.24 (dd, 1H), 7.17-7.15 (dd, 1H), 7.12-7.10 (dd, 1H), 7.09 -7.07 (dd, 1H), 7.02 (s, 1H), 7.01-6.98 (dd, 1H), 6.97 6.95 (dd, 1H), 2.71 2.66 (t, 2H), 1.64-1.60 (m, 2H), 1.38 Results such as -1.37 (m, 2H) can be obtained.
실시예 2 Example 2
비교예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중에서 PCPDTBT 15 mg과 풀러렌 유도체인 PCBM 12 mg이 1 mL의 클로로벤젠에 용해됨으로써 조제된 용액에 헤테로고리 화합물인 2,2',5,5'-tetrathiophene-3,3'-propyl-difuran (TTPF)이 14 wt% 만큼 첨가된 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지가 제조되었다. 15 mg of PCPDTBT and 12 mg of PCBM, a fullerene derivative, were dissolved in 1 mL of chlorobenzene in the solar cell manufacturing process shown in Comparative Example 1 to a
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 2에 따라 제작된 유기태양전지의 Voc 값은 0.69 V, Jsc 값은 17.0 mA/cm2, 곡선 인자는 69 %로 측정되었으며, 광전변환효율은 8.1 %였다. As shown in FIG. 5, the organic solar cell manufactured according to Example 2 had a Voc value of 0.69 V, a Jsc value of 17.0 mA / cm 2 , a curve factor of 69%, and a photoelectric conversion efficiency of 8.1%. .
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 사용된 헤테로고리 화합물의 제조과정을 나타낸다.Figure 6 shows the preparation of the heterocyclic compound used in Example 2 of the present invention.
3,3'-propyl-difuran의 합성은 앞서 실시예 1에서 제시된 3,3'-hexyl-dithiophene의 합성과 유사한 반응조건에서 실시하였다. 즉, 마그네슘과 dry ether가 제1 플라스크에 주입되고, 40 ℃에서 제1 플라스크로 1,6-dibromopropane가 적하된다. 이후 온도가 50 ℃로 유지된 상태에서 제1 플라스크가 4시간 동안 교반된다. Synthesis of 3,3'-propyl-difuran was carried out under reaction conditions similar to the synthesis of 3,3'-hexyl-dithiophene presented in Example 1 above. That is, magnesium and dry ether are injected into the first flask, and 1,6-dibromopropane is dropped into the first flask at 40 ° C. The first flask is then stirred for 4 hours while the temperature is maintained at 50 ° C.
제1 플라스크와 다른 제2 플라스크에 3-bromofuran이 첨가되고 dry ether가 넣어진 후 [1,3-bis(diphenylphosphino)-propan] nickel(Ⅱ) dichloride가 첨가된 후 70 ℃에서 제2 플라스크가 충분히 교반된다. After the addition of 3-bromofuran and dry ether in the first flask and the second flask, the second flask was sufficiently filled at 70 ° C. after [1,3-bis (diphenylphosphino) -propan] nickel (II) dichloride was added. It is stirred.
제1 플라스크에서 만들어진 magnesium bromide가 제2 플라스크의 반응물에 적하된 후 제2 플라스크는 70 ℃에서 5시간 동안 교반된다. 이후 제2 플라스크의 내용물을 정제함으로써 3,3'-propyl-difuran이 얻어진다. After magnesium bromide made in the first flask was added to the reactant of the second flask, the second flask was stirred at 70 ° C. for 5 hours. Thereafter, 3,3'-propyl-difuran is obtained by purifying the contents of the second flask.
3,3'-propyl-difuran이 THF에 용해된 뒤 상온에서 NBS(N-bromosuccimide)가 첨가되고 55 ℃에서 10 시간동안 교반된다. 반응 완료후 column chromatography를 이용하여 2,2',5,5'-tetrabromo-3,3'-propyl-difuran가 얻어진다. After 3,3'-propyl-difuran is dissolved in THF, NBS (N-bromosuccimide) is added at room temperature and stirred at 55 ° C for 10 hours. After completion of the reaction, 2,2 ', 5,5'-tetrabromo-3,3'-propyl-difuran was obtained by column chromatography.
2,2',5,5'-tetrabromo-3,3'-propyl-difuran를 이용한 TTPF의 합성은 실시예 1에서 제시된 TTHT의 합성과 동일한 조건 및 반응물을 이용하여 제조된다. 즉 2,2',5,5'-tetrabromo-3,3'-hexyl-dithiophene 대신에 2,2',5,5'-tetrabromo-3,3'-propyl-difuran를 이용한 것을 제외하고는 동일하게 하여 TTPF가 얻어지며, 제조된 TTPF는 진공 하에서 승화정제된다.
Synthesis of TTPF using 2,2 ', 5,5'-tetrabromo-3,3'-propyl-difuran was prepared using the same conditions and reactants as the synthesis of TTHT presented in Example 1. The same is true except that 2,2 ', 5,5'-tetrabromo-3,3'-propyl-difuran is used instead of 2,2', 5,5'-tetrabromo-3,3'-hexyl-dithiophene. TTPF is obtained, and the prepared TTPF is sublimed and purified under vacuum.
실시예 3Example 3
실시예 1에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 광활성층(103)과 제2 전극(105) 사이에 TiOx (1 < x < 2)로 이루어진 전자수송층(104)이 형성되는 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지가 제조된다. 이와 같이 제작된 유기태양전지의 Voc 값은 0.68 V, Jsc 값은 17.2 mA/cm2, 곡선 인자는 72 %로 측정되었으며, 광전변환효율은 8.4%였다.
Except for forming the
실시예 4Example 4
실시예 2에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 광활성층(103)과 제2 전극(105) 사이에 ZnO로 이루어진 전자수송층(104)이 형성되고, PEDOT:PSS 대신에 PANI:CSA를 사용한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지가 제조되었다. 이와 같이 제작된 유기태양전지의 Voc 값은 0.71 V, Jsc 값은 16.9 mA/cm2, 곡선 인자는 71 %로 측정되었으며, 광전변환율은 8.5%였다. ZnO-
본 발명의 실시예에서 유기태양전지의 기판(100)은 제1 전극(101)에 인접하여 위치하나 제2 전극(105)에 인접하게 위치할 수도 있다. 이 경우 기판(100)은 빛이 투과되지 않는 물질로 이루어질 수 있다. In the exemplary embodiment of the present invention, the
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. In other words, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively operated in combination with one or more.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.It is also to be understood that the terms such as " comprises, "" comprising," or "having ", as used herein, mean that a component can be implanted unless specifically stated to the contrary. But should be construed as including other elements. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used terms, such as predefined terms, should be interpreted to be consistent with the contextual meanings of the related art, and are not to be construed as ideal or overly formal, unless expressly defined to the contrary.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (11)
Heterocyclic compound represented by the following formula.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하며, 하기 화학식의 화합물을 포함하는 광활성층을 포함하는 유기태양전지.
First and second electrodes facing each other; And
An organic solar cell positioned between the first electrode and the second electrode and including a photoactive layer comprising a compound of the following formula.
상기 광활성층과 상기 제2 전극에 비하여 높은 일함수를 가진 상기 제1 전극 사이에 정공수송층을 더 포함하는 유기태양전지.The method of claim 2,
The organic solar cell further comprises a hole transport layer between the photoactive layer and the first electrode having a higher work function than the second electrode.
상기 광활성층과 상기 제1 전극에 비하여 낮은 일함수를 가진 상기 제2 전극 사이에 전자수송층을 더 포함하는 유기태양전지.The method of claim 2,
The organic solar cell further comprises an electron transport layer between the photoactive layer and the second electrode having a lower work function than the first electrode.
상기 전자수송층은 금속산화물, ZnO계 나노입자, Doped-ZnO계 나노입자, SnO2 나노입자, ITO 나노입자, TiO2 나노입자, TiOx(1<x<2), Cs2CO3, 티타늄(디이소프록사이드)비스(2,4-펜타디오네이트)로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기태양전지. The method of claim 7, wherein
The electron transport layer is a metal oxide, ZnO-based nanoparticles, Doped-ZnO-based nanoparticles, SnO 2 nanoparticles, ITO nanoparticles, TiO 2 nanoparticles, TiOx (1 <x <2), Cs 2 CO 3 , Titanium (D An organic solar cell comprising one or more selected from the group consisting of isoproxide) bis (2,4-pentadionate).
상기 광활성층은 억셉터 물질을 포함하며,
상기 억셉터 물질은 풀러렌 유도체, 페릴렌 유도체, ZnO, TiO2, CdS, CdSe 또는 ZnSe 로 이루어진 군중에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method of claim 2,
The photoactive layer comprises an acceptor material,
The acceptor material is an organic solar cell comprising one or more selected from the group consisting of fullerene derivatives, perylene derivatives, ZnO, TiO 2 , CdS, CdSe or ZnSe.
상기 광활성층은 도너 물질을 포함하며,
상기 도너 물질은 프탈로 시아닌계 안료, 인디고, 티오인디고계 안료, 멜로시아닌 화합물, 시아닌 화합물, 페닐렌비닐렌계 고분자 유도체, thiophene계 고분자 유도체로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method of claim 2,
The photoactive layer comprises a donor material,
The donor material is phthalocyanine-based pigments, indigo, thioindigo-based pigments, melancyanine compounds, cyanine compounds, phenylene vinylene-based polymer derivatives, characterized in that consisting of at least one selected from the group consisting of thiophene-based polymer derivatives Organic solar cell.
상기 광활성층은 도너 물질 30 내지 80 중량%, 억셉터 물질 10 내지 65 중량% 및 헤테로고리화합물 0.1 내지 20 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method of claim 2,
The photoactive layer is an organic solar cell comprising 30 to 80% by weight of donor material, 10 to 65% by weight of acceptor material and 0.1 to 20% by weight of heterocyclic compound.
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유기 태양전지 효율 개선을 위한 신규 유기소재 개발 및 구조 최적화. 영남대학교 대학원 석사학위논문 2009.12.. * |
유기 태양전지 효율 개선을 위한 신규 유기소재 개발 및 구조 최적화. 영남대학교 대학원 석사학위논문 2009.12..* |
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