KR101569854B1 - 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 유기 태양전지 - Google Patents
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Abstract
일 측면에 따라 하기 화학식 1로 표시되는 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물이 제공된다.
<화학식 1>
상기 화학식 1 중, R1 및 R2, 및 Ar1 은 발명의 상세한 설명을 참조한다. 상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물을 포함한 유기 태양전지는 높은 광변환 효율, 열적 안정성 및 넓은 가시광 흡수 영역을 가질 수 있다.
<화학식 1>
상기 화학식 1 중, R1 및 R2, 및 Ar1 은 발명의 상세한 설명을 참조한다. 상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물을 포함한 유기 태양전지는 높은 광변환 효율, 열적 안정성 및 넓은 가시광 흡수 영역을 가질 수 있다.
Description
본 발명은 유기 태양전지의 전자 주게 물질로 작용하는 화합물에 관한 것으로서, 특히 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물 및 이를 이용한 유기 태양전지에 관한 것이다.
세계적으로 증가하는 에너지 수급량에 따라 한정되어 있는 화석 연료의 비축량의 감소 속도가 갈수록 빨라지고 있다. 이에 풍력, 조력, 수력 등 여러 재사용 가능한 대체 에너지 생산원의 개발이 이어지고 있으며, 태양 전지 또한 그러한 대체 에너지 생산원 중 하나로 지목되어 연구되어 왔다.
1883년 찰스 프리츠(Charles Fritts)가 셀레늄 반도체(selenium semiconductor)와 금(gold)으로 고체상 태양 전지를 만들어 1% 정도의 효율을 얻은 것을 출발점으로 하여 실리콘 반도체(silicon semiconductor)와 무기 반도체(Inorganic semiconductor)로 구성된 태양전지들이 발표되었다.
유기 태양 전지의 경우에는 1986년 코닥의 탕(Tang)이 이중층(bilayer) 유기 태양 전지 구조를 제안하고 논문을 발표하였다. 그 후 이중층 구조에서 전자 받게의 역할을 하는 물질을 C60
나 C70
와 같은 풀러렌 유도체로 구성하게 되며 유기 태양 전지로 사용되었다.
이러한 상황에서 유기 태양 전지는 실리콘 반도체 또는 무기 반도체 기반의 고효율 태양 전지가 갖는 가장 근본적인 단점인 비싼 가격을 해결하기 위해 보다 활발하게 연구되기 시작했다.
유기 태양전지는 가격이 매우 싸고 접을 수 있는 소자의 제작이 가능하고 소자의 제작이 쉬운 장점이 있으나 효율이 낮은 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 많은 발명가들이 유기 태양전지에 저분자 물질을 이용해서 효율을 증가시키기 위한 다양한 연구를 진행하고 있으나 효율의 증가가 만족스럽지 못하고 있다.
최근에 유기 반도체 물질로서 정공(hole)의 이동도가 빠른 싸이오펜(thiophene)이나 아센(acene) 계열의 화합물이 도입되고 있다. 싸이오펜 유도체나 아센 계열의 화합물은 분자들이 잘 쌓이는 성질에 기인하여 빠른 정공 이동도를 갖는다. 그러나 이들 물질 중 더 나은 전하 이동도, 열적 안정성 및 넓은 가시광 흡수 영역을 갖는 새로운 화합물에 대한 기대가 여전히 존재한다.
높은 전하 이동도, 열적 안정성 및 넓은 가시광 흡수 영역을 갖는 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
높은 전하 이동도, 열적 안정성 및 넓은 가시광 흡수 영역을 갖는 유기 태양전지를 제공하는 것이다.
일 측면에 따라 하기 화학식 1로 표시되는 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물이 제공된다.
<화학식 1>
Ar1 는 하기 화학식 1A 또는 화학식 1B 이다.
<화학식 1A> <화학식 1B>
Y1 은 CH2, S 또는 O 이고, *은 결합 사이트이다.
R1 내지 R4는 서로 독립적으로 수소 원자, 중수소 원자, 할로겐 원자, 히드록실기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 카르복실기나 이의 염, 술폰산기나 이의 염, 인산이나 이의 염, 치환 또는 비치환된 C1-C60 알킬기, 치환 또는 비치환된 C2-C60 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2-C60 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C1-C60 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C3-C10 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3-C10 시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3-C10 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3-C10 헤테로시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2-C60 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴티오기, -Si(Q1)(Q2)(Q3) 또는 -N(Q4)(Q5)이다(Q1 내지 Q5 는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1-C60 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C2-C60 헤테로아릴기이다.).
다른 측면에 따라 하기 반응식 1에 의하여 제조되는 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물의 제조 방법이 제공된다.
<반응식 1>
Ar1, R1, R2 및 X는 위에서 상술한 바와 같다.
또 다른 측면에 따라 양극, 상기 양극과 대향하는 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하고 상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물을 포함한 광활성층을 포함하는 유기 태양전지가 제공된다. 상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물은 전자 주게층과 전자 받게층을 포함하는 광활성층의 전자 주게층에 사용될 수 있다.
상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물은 높은 전하 이동도, 열적 안정성 및 넓은 가시광 흡수 영역을 가질 수 있다.
상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물의 제조 방법은 단일 단계에 의하여 효과적으로 상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물을 제조할 수 있다.
상기 유기 태양전지는 상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물을 이용하여 높은 광변환 효율, 열적 안정성 및 넓은 가시광 흡수 영역을 가질 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 유기 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 화합물 1의 용액 상태에서의 흡수 스펙트럼(absorption spectrum) 및 발광 스펙트럼(photoluminescence spectrum)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 화합물 2의 용액 상태에서의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 화합물 2의 필름 상태에서의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 화합물 2의 전류 전위(current-potential) 그래프이다.
도 7은 밀도 함수 이론(density functional theory, DFT)을 수행하여 계산된 화합물 2의 HOMO와 LUMO의 전자 분포 다이어그램이다.
도 8은 밀도 함수 이론을 수행하여 계산된 화합물 1의 HOMO와 LUMO의 전자 분포 다이어그램이다.
도 9는 실시예 1 내지 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 전류밀도 대 전압의 그래프이다.
도 10은 실시예 1 내지 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 파장에 따른 광전류변환효율(incident photon to current conversion efficiency, IPCE)을 측정한 그래프이다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 유기 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 화합물 1의 용액 상태에서의 흡수 스펙트럼(absorption spectrum) 및 발광 스펙트럼(photoluminescence spectrum)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 화합물 2의 용액 상태에서의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 화합물 2의 필름 상태에서의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 화합물 2의 전류 전위(current-potential) 그래프이다.
도 7은 밀도 함수 이론(density functional theory, DFT)을 수행하여 계산된 화합물 2의 HOMO와 LUMO의 전자 분포 다이어그램이다.
도 8은 밀도 함수 이론을 수행하여 계산된 화합물 1의 HOMO와 LUMO의 전자 분포 다이어그램이다.
도 9는 실시예 1 내지 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 전류밀도 대 전압의 그래프이다.
도 10은 실시예 1 내지 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 파장에 따른 광전류변환효율(incident photon to current conversion efficiency, IPCE)을 측정한 그래프이다.
상기 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.
<화학식 1>
Ar1 는 하기 화학식 1A 또는 화학식 1B 이다.
<화학식 1A> <화학식 1B>
Y1은 CH2, S 또는 O 이고, *은 결합 사이트이다.
R1 내지 R4
는 서로 독립적으로 수소 원자, 중수소 원자, 할로겐 원자, 히드록실기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 카르복실기나 이의 염, 술폰산기나 이의 염, 인산이나 이의 염, 치환 또는 비치환된 C1-C60 알킬기, 치환 또는 비치환된 C2-C60 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2-C60 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C1-C60 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C3-C10 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3-C10 시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3-C10 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3-C10 헤테로시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2-C60 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴티오기, -Si(Q1)(Q2)(Q3) 또는 -N(Q4)(Q5)이다(Q1 내지 Q5 는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1-C60 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C2-C60 헤테로아릴기임).
구체적으로, 상기 화학식 1의 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물은 하기 화학식 2A 및 2B 중 어느 하나로 표시될 수 있다.
Y1은 CH2, S 또는 O 이고,
R3 및 R4
는 서로 독립적으로 수소 원자, 중수소 원자, 할로겐 원자, 히드록실기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 메틸기, 에틸기 또는 C6-C20의 아릴기일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 축합환 화합물이 하기 화합물 1 및 2로 표시되는 화합물들 중 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다:
상기 화학식 1로 표시되는 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물들은 유기 태양전지 소자용 광활성층 재료, 특히 전자 주게 물질로 사용될 수 있다. 상기 화학식 1의 화합물은 분자가 쌓이는 능력 및 정공 수송 능력이 우수하여 유기 태양전지 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 상기 화학식 2A의 화합물은 분자 내부에 전자 주게 부분(electron donor)(양쪽 말단의 벤조 싸이오펜)과 전자 받게 부분(electron acceptor)(중앙의 벤조싸이아다이아졸)을 모두 포함하여 더 넓은 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 분자 내에 에너지 준위가 상이한 전자 주게 부분과 전자 받게 부분이 모두 포함되면 에너지 갭이 작은 새로운 에너지 준위를 생성하며, 이는 분자내 전하 이동(intramolecular charge transfer, ICT)으로 관측될 수 있다. 이러한 분자 내 전하 이동 현상으로 인해서 흡광 스펙트럼이 넓어질 수 있다.
본 명세서 중, 비치환된 C1-C60 알킬기(또는 C1-C60 알킬기)의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실 등과 같은 탄소수 1 내지 60의 선형 또는 분지형 알킬기를 들 수 있다. 치환된 C1-C60 알킬기는 상기 비치환된 C1-C60 알킬기 중 하나 이상의 수소 원자가 중수소, 할로겐 원자, 시아노기, 히드록실기, 니트로기, 아미노기, 아미디노기, 실릴기, 히드라진, 히드라존, 카르복실기나 이의 염, 술폰산기나 이의 염, 인산이나 이의 염, C1-C60 알킬기, C2-C60 알케닐기, C2-C60 알키닐기, C1-C60 알콕시기, C3-C60 시클로알킬기, C6-C60 아릴기, C2-C60 헤테로아릴기, C6-C60 아랄킬기 및 C6-C60 아릴옥시기; 중수소, 할로겐 원자, 시아노기, 히드록실기, 니트로기, 아미노기, 아미디노기, 실릴기, 히드라진, 히드라존, 카르복실기나 이의 염, 술폰산기나 이의 염 및 인산이나 이의 염 중 하나 이상으로 치환된 C1-C60 알킬기, C2-C60 알케닐기, C2-C60 알키닐기 및 C1-C60 알콕시기; 및 중수소, 할로겐 원자, 시아노기, 히드록실기, 니트로기, 아미노기, 아미디노기, 실릴기, 히드라진, 히드라존, 카르복실기나 이의 염, 술폰산기나 이의 염, 인산이나 이의 염, C1-C60 알킬기, C2-C60 알케닐기, C2-C60 알키닐기, C1-C60 알콕시기, C6-C60 아릴기 및 C2-C60 헤테로아릴기 중 하나 이상으로 치환된 C3-C60 시클로알킬기, C6-C60 아릴기, C2-C60 헤테로아릴기, C6-C60 아랄킬기 및 C6-C60 아릴옥시기; 중 하나로 치환된 것이다.
본 명세서 중, 비치환된 C1-C60 알콕시기(또는 C1-C60 알콕시기)는 -OA1(단, A1은 상술한 바와 같은 비치환된 C1-C60 알킬기임)의 화학식을 가지며, 이의 구체적인 예로서, 메톡시, 에톡시 또는 이소프로필옥시 등이 있다. 치환된 C1-C60 알콕시기는 C1-C60 알콕시기 중 적어도 하나 이상의 수소가 상술한 치환된 C1-C60 알킬기 경우의 치환기로 치환된 것이다.
본 명세서 중 비치환된 C2-C60 알케닐기(또는 C2-C60 알케닐기)는 상기 비치환된 C1-C60 알킬기의 중간이나 맨 끝단에 하나 이상의 탄소 이중결합을 함유하고 있는 것을 의미하며, 예로서는 에테닐, 프로페닐 또는 부테닐 등이 있다. 치환된 C2-C60 알케닐기는 C2-C60 알케닐기 중 적어도 하나 이상의 수소가 상술한 치환된 C1-C60 알킬기 경우의 치환기로 치환된 것이다.
본 명세서 중 비치환된 C2-C60 알키닐기(또는 C2-C60 알키닐기)는 상기 정의된 바와 같은 C1-C60 알킬기의 중간이나 맨 끝단에 하나 이상의 탄소 삼중결합을 함유하고 있는 것을 의미하며, 예로서는 에티닐(ethynyl) 또는 프로피닐(propynyl) 등이 있다. 치환된 C2-C60 알키닐기는 C2-C60 알키닐기 중 적어도 하나 이상의 수소가 상술한 치환된 C1-C60 알킬기 경우의 치환기로 치환된 것이다.
본 명세서 중 비치환된 C6-C60 아릴기는 하나 이상의 방향족 고리를 포함하는 탄소 원자수 5 내지 60개의 카보사이클릭 방향족 시스템을 갖는 1가(monovalent) 그룹을 의미하며, 비치환된 C6-C60 아릴렌기는 하나 이상의 방향족 고리를 포함하는 탄소 원자수 5 내지 60개의 카보사이클릭 방향족 시스템을 갖는 2가(divalent) 그룹을 의미한다. 상기 아릴기 및 아릴렌기가 2 이상의 고리를 포함할 경우, 2 이상의 고리들은 서로 융합될 수 있다. 치환된 C6-C60 아릴기는 C6-C60 아릴기 중 적어도 하나 이상의 수소가 상술한 치환된 C1-C60 알킬기 경우의 치환기로 치환된 것이고, 치환된 C6-C60 아릴렌기는 C6-C60 아릴렌기 중 적어도 하나 이상의 수소가 상술한 치환된 C1-C60 알킬기 경우의 치환기로 치환된 것이다.
상기 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴기의 예로는 페닐기, C1-C10 알킬페닐기(예를 들면, 에틸페닐기), C1-C10 알킬비페닐기(예를 들면, 에틸비페닐기), 할로페닐기(예를 들면, o-, m- 및 p-플루오로페닐기, 디클로로페닐기), 디시아노페닐기, 트리플루오로메톡시페닐기, o-, m-, 및 p-토릴기, o-, m- 및 p-쿠메닐기, 메시틸기, 페녹시페닐기, (α,α-디메틸벤젠)페닐기, (N,N'-디메틸)아미노페닐기, (N,N'-디페닐)아미노페닐기, 펜타레닐기, 인데닐기, 나프틸기, 할로나프틸기(예를 들면, 플루오로나프틸기), C1-C10 알킬나프틸기(예를 들면, 메틸나프틸기), C1-C10 알콕시나프틸기(예를 들면, 메톡시나프틸기), 안트라세닐기, 아줄레닐기, 헵타레닐기, 아세나프틸레닐기, 페나레닐기, 플루오레닐기, 안트라퀴놀일기, 메틸안트릴기, 페난트릴기, 트리페닐레닐기, 피레닐기, 크리세닐기, 에틸-크리세닐기, 피세닐기, 페릴레닐기, 클로로페릴레닐기, 펜타페닐기, 펜타세닐기, 테트라페닐레닐기, 헥사페닐기, 헥사세닐기, 루비세닐기, 코로네릴기, 트리나프틸레닐기, 헵타페닐기, 헵타세닐기, 피란트레닐기 또는 오바레닐기 등을 들 수 있다. 치환된 C6-C60 아릴기의 예는 상술한 바와 같은 비치환된 C6-C60 아릴기의 예와 상기 치환된 C1-C60 알킬기의 치환기를 참조하여 용이하게 인식할 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴렌기의 예는 상기 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴기의 예를 참조하여 용이하게 인식될 수 있다.
본 명세서 중, 비치환된 C2-C60 헤테로아릴기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1 개 이상의 헤테로원자를 포함하고 나머지 고리원자가 C인 하나 이상의 방향족 고리로 이루어진 시스템을 갖는 1가 그룹을 의미하고, 비치환된 C2-C60 헤테로아릴렌기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1 개 이상의 헤테로원자를 포함하고 나머지 고리원자가 C인 하나 이상의 방향족 고리로 이루어진 시스템을 갖는 2가 그룹을 의미한다. 여기서, 상기 헤테로아릴기 및 헤테로아릴렌기가 2 이상의 고리를 포함할 경우, 2 이상의 고리는 서로 융합될 수 있다. 치환된 C2-C60 헤테로아릴기는 C2-C60 헤테로아릴기 중 적어도 하나 이상의 수소가 상술한 치환된 C1-C60 알킬기 경우의 치환기로 치환된 것이고, 치환된 C2-C60 헤테로아릴렌기는 C2-C60 헤테로아릴렌기 중 적어도 하나 이상의 수소가 상술한 치환된 C1-C60 알킬기 경우의 치환기로 치환된 것이다.
상기 비치환된 C2-C60 헤테로아릴기의 예에는, 피라졸일기, 이미다졸일기, 옥사졸일기, 티아졸일기, 트리아졸일기, 테트라졸일기, 옥사디아졸일기, 피리디닐기, 피리다지닐기, 피리미디닐기, 트리아지닐기, 카바졸일기, 인돌일기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀리닐기, 벤조이미다졸일기, 이미다조피리디닐기 또는 이미다조피리미디닐기 등을 들 수 있다. 치환된 C2-C60 헤테로아릴기의 예는 상술한 바와 같은 비치환된 C2-C60 헤테로아릴기의 예와 상기 치환된 C1-C60 알킬기의 치환기를 참조하여 용이하게 인식할 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 C2-C60 헤테로아릴렌기의 예는 상기 치환 또는 비치환된 C2-C60 헤테로아릴기의 예를 참조하여 용이하게 인식될 수 있다.
상기 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴옥시기는 -OA2
(여기서, A2 는 상기 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴기임)를 가리키고, 상기 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴티오기는 -OA3
(여기서, A3 는 상기 치환 또는 비치환된 C6-C60 아릴기임)를 가리킨다.
상기 화학식 1을 갖는 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물은 하기 반응식 1과 같은 스즈키 커플링 반응(Suzuki coupling reaction)에 의하여 합성될 수 있다.
<반응식 1>
벤조싸이아다이아졸 유도체 할로겐화물인 중간체 I-1과 아릴 디옥사보롤레인 화합물인 중간체 I-2를 팔라듐(Pd) 촉매 및 염기의 존재 하에 반응시킨다. 반응 온도는 60-100℃의 범위일 수 있고, 반응 시간은 60-80시간의 범위일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
중간체 I-1 및 중간체 I-2의 R1 및 R2, X, Ar1은 위에서 설명한 바와 같다. 중간체 I-1의 할로겐 원소 X는 F, Cl, Br 또는 I 일 수 있다. Pd 촉매는 예를 들어 Pd(PPh3)4 (팔라듐 테트라키스(트리페닐포스핀))일 수 있고, 염기는 예를 들어 K2CO3
(탄산 칼륨)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 용매는 예를 들어 THF(테트라 하이드로 퓨란) 및 물의 혼합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
반응이 종결된 후 용매를 제거하고, 반응 생성물을 여과, 정제하여 화학식 1의 화합물을 얻을 수 있다.
이하에서, 구현예들에 따른 유기 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 태양전지(100)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 유기 태양전지(100)는 순차적으로 적층되어 있는 기판(110), 양극층(120), 정공 수송층(130), 광활성층(140), 엑시톤 확산 방지층(150) 및 음극층(160)을 포함한다. 광활성층(140)은 전자 주게층(electron donor layer)(142)와 전자 받게층(electron acceptor layer) (144)으로 이루어져 있다.
기판(110)은 유기 태양전지를 지지하기 위한 것으로서 예를 들면 투명한 유리 기판 또는 PET(Poly Ethylene Terephthlate: 폴리에틸렌 테레프탈레이트), PES(Polyethersulphone: 폴리에테르술폰), PC(Polycarbonate: 폴리카보네이트), PI(Polyimide: 폴리이미드), PEN(Polyethylene Naphthalate: 폴리에틸렌 나프탈레이트) 또는 PAR(Polyarylate: 폴리아릴레이트)과 같은 투명 플라스틱 기판이 사용될 수 있다.
양극층(120)는 높은 일함수를 가진 금속 산화물의 전도성 투명전극으로 이루어질 수 있다. 양극층(120)는 예를 들면, 산화주석(SnO2), AZO(Al-doped Zinc Oxide, Al 도핑된 아연 산화물), ITO(Indium Tin Oxide, 인듐 주석 산화물), FTO(Flourine-doped Tin Oxide: 불소 도핑된 주석 산화물) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide: 인듐 아연 산화물) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 산화물의 전도성 투명전극은 열증착(evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 방법으로 형성할 수 있다. 선택적으로, 별도의 기판 없이 양극층(120)이 기판의 역할을 할 수도 있다.
정공 수송층(130)은 예를 들면, 몰리브데늄 산화물(MoO3), 텅스텐 산화물(WO3), 레늄 산화물(ReO2), 바나듐 산화물(V2O5), PEDOT:PSS, HAT-CN (1,4,5,8,9,11-hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile), F16CuPC, 또는 CuPC 으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 정공 수송층(130)의 금속 산화물층은 열증착 또는 스퍼터링 등의 방법으로 형성할 수 있고, PEDOT:PSS와 같은 고분자층은 다양한 코팅 및 프린팅 공정에 의하여 형성될 수 있다. HAT-CN, F16CuPC 또는 CuPC 의 층은 열증착 등의 방법으로 형성될 수 있다. 정공 수송층(130)은 광활성층(140)에서 전달되는 정공이 양극층(120)으로 용이하게 주입되도록 도울 수 있다. 정공 수송층(130)의 두께는 예를 들어 30Å 내지 1000Å, 50Å 내지 500Å, 또는 70Å 내지 200Å의 범위일 수 있다. 정공 수송층(130)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우 우수한 정공 주입 및 수송 특성을 얻을 수 있다.
광활성층(140)은 빛을 흡수하여 생성된 전자와 정공 쌍을 형성하고, 이들을 분리하여 전자는 엑시톤 확산 방지층(150)을 통하여 음극으로 전달하고, 정공은 정공 수송층(130)을 통하여 양극으로 전달하여 전류를 발생시키는 역할을 한다. 광활성층(140)은 전자 주게 물질로 이루어진 전자 주게층(142)과 전자 받게 물질로 이루어진 전자 받게층(144)으로 이루어질 수 있다.
전자 주게 물질은 광을 흡수하여 HOMO(highest occupied molecular orbital) 레벨의 전자를 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨로 여기시켜서 전자, 정공 쌍을 형성한다. 또한, 전자 주게 물질은 주요 전하 운반자가 정공인 물질이다. 전자 주게 물질은 상기 화학식 1의 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물로 이루어질 수 있다.
전자 받게 물질은 전자 주게 물질로부터 전자를 받는 물질로서, 주요 전하 운반자가 전자인 물질이고, n형 반도체일 수 있다. 전자 받게 물질은 예를 들어 풀러렌(fullerene), 풀러렌 유도체, 페릴렌(perylene), 페릴렌 유도체, 고분자 또는 양자점일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 풀러렌은 예를 들어, C60, C70, C76 및 C84의 풀러렌일 수 있다. 풀러렌 유도체는 예를 들어 PC61BM ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methylester), 또는 PC71BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester)일 수 있다. 페릴렌 유도체는 예를 들어 PTCDA (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride) 또는 PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) 일 수 있다. 전자 주게층(142)과 전자 받게층(144)은 예를 들어 열증착 방법으로 형성할 수 있으며, 이들의 두께는 각각 50-1,000Å, 70-700Å 또는 100-400Å의 범위일 수 있다. 전자 주게층(142)과 전자 받게층(144)이 상기 범위의 두께를 만족시킬 경우 우수한 광변환 효율을 얻을 수 있다.
엑시톤 확산 방지층(150)은 광활성층(140)으로부터 전자를 받아서 음극층(160)으로의 주입을 용이하게 하거나 광활성층(140)으로부터 음극층(160)으로의 엑시톤의 확산을 막는 역할을 할 수 있다. 엑시톤 확산 방지층(150)은 예를 들면 BCP(2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, bathocuproine, 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), 또는 Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 엑시톤 확산 방지층(150)은 예를 들어 열증착 방법으로 형성할 수 있으며, 엑시톤 확산 방지층(150)의 두께는 20-500Å, 50-200Å 또는 70-150Å의 범위일 수 있다. 엑시톤 확산 방지층(150)의 두께가 상기 범위를 만족시킬 경우 우수한 전자 주입 특성을 얻을 수 있다.
음극층(160)은 낮은 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 음극층(160)은 예를 들면, Al, Ca, Mg, K, Ti, Li 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 음극층(160)은 열증착, 스퍼터링 등의 방법으로 형성할 수 있다. 음극층(160)의 두께는 100-2,000Å, 500-1,500Å 또는 700-1,200Å의 범위일 수 있다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 유기 태양전지(200)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 유기 태양전지(200)는 순차적으로 적층되어 있는 기판(110), 양극층(120), 정공 수송층(130), 광활성층(240), 엑시톤 확산 방지층(150) 및 음극층(160)을 포함한다. 광활성층(240)이 전자 주게 물질과 전자 받게 물질의 혼합으로 이루어져 있는 점에서 도 2와 관련된 유기 태양전지(200)가 도 1과 관련된 유기 태양전지(100)와 차이가 있다.
광활성층(240)의 전자 주게 물질은 상기 화학식 1의 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물로 이루어질 수 있다. 광활성층(240)의 전자 받게 물질은 예를 들어, C60, C70, C76 또는 C84의 풀러렌, PCBM 또는 PCBM의 풀러렌 유도체, 페릴렌, PTCDA 또는 PTCBI 와 같은 페릴렌 유도체 등으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광활성층(240)은 화학식 1의 전자 주게 물질 및 전자 받게 물질의 공증착에 의하여 형성할 수 있다. 광활성층(240)의 두께는 100-2,000Å, 140-1,400Å 또는 200-800Å의 범위에서 형성할 수 있다. 광활성층(240)의 두께가 상기 범위를 만족시킬 경우, 우수한 광변환 효율을 얻을 수 있다. 한편, 전자 주게 물질 대 전자 받게 물질의 비율은 약 1:1-1:4(중량비)의 범위를 가질 수 있으며, 이때 우수한 광변환 효율을 얻을 수 있다.
한편, 본 구현예에 따른 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 광활성층은 기판 위에 음극, 전자 주입층, 광활성층, 정공 수송층, 양극층이 순차적으로 형성된 인버티드 구조를 갖는 유기 태양전지 및 다양하게 변형된 층 구조를 갖는 유기 태양전지에 적용될 수 있다.
합성예
<사용 시약>
2-(tributylstannyl)thiophene(2-트리부틸스탠닐싸이오펜), N-bromosuccinimide(NBS)(N-브로모숙신이미드),N,N'-dimethylformamide(DMF)(N,N'-다이메틸포름아마이드), 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(BCP) (2,9-다이메틸-4,7-다이페닐-1,10-페난트롤린), toluene(톨루엔), tetrabutylammonium hexafluoro phosphate(테트라부틸암모늄 헥사플로로포스페이트)은 알드리치(Aldrich)의 제품을 사용하였고, Pd(PPh3)4(팔라듐 테트라키스(트리페닐포스핀)), 4,7-dibromo-2,1,3-benzothiadiazole(4,7-디브로모-2,1,3-벤조티아디아졸), 2-(benzo[b]thiophen-2-yl)-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane(2-(벤조[b]티오펜-2-일)-4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보로레인), 4,4,5,5-tetramethyl-2-(naphthalene-2-yl)-1,3,2-dioxaborolane(4,4,5,5-테트라메틸-2-(나프탈렌-2-일)-1,3,2-디옥사보로레인)은 TCI(Tokyo Chemical Industry)사의 제품을 사용하였다. 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 탄산 칼륨 (potassium carbonate, K2CO3), 다이클로로메탄(dichloromethane, DCM), 클로로포름(chloroform, CHCl3)은 삼전 화학 제품을 사용하였다.
<화합물 확인 기구>
화합물의 1H-NMR을 Bruker AM-500 MHz 분광기(spectrometer) (Bruker 사)을 사용하여 측정하여 구조를 분석하였다. 질량 분석은 MALDI-TOF 질량 분석기(mass spectrometer) (Bruker 사)를 사용하였다. 원소 분석은 EA 1112 원소 분석기 (Carlo-Erba 사)를 사용하여 수행하였다. UV-VIS 스펙트럼은 DU-650 분광광도계(spectrophotometer) (Beckman 사)을 사용하여 측정하였고, 형광 스펙트럼은 FP-7500 분광광도계(JASCO 사)를 사용하였다. 소자의 전기 화학적 특성은 CH instrument 660 (CH instrument 사)을 이용해서 측정하였다.
화합물 1의 합성
4,7-비스(5-브로모싸이오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]싸이아디아졸 (1.6 g, 3.5 mmol)을 2-(벤조[b] 싸이오펜-2-일)-4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤레인 (1.6 g, 8.7 mmol), Pd(PPh3)4(테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)) (40 mg, 0.03 mmol), K2CO3 (3.4 g, 24 mmol)과 함께 THF 100 ㎖ 에 녹인 후, 1차 증류수 20 ㎖ 첨가하고 70℃에서 72 시간 동안 가열하면서 반응시켰다. 반응이 종결된 후 실온에서 THF를 감압 증류에 의하여 제거하고 반응 생성물을 뷰흐너 깔때기를 이용해서 감압 여과하였다. 여과된 반응 생성물을 승화에 의하여 분리 및 정제하여 붉은색의 고체인 화합물 1 1.20 g (수율 61%)을 얻었다. 얻어진 화합물 1을 NMR, 질량 분석 및 원소 분석에 의하여 확인하였다.
1H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ(ppm) 7.40 (q, J = 8 Hz, 4H), 7.59 (s, 2H), 7.76 (s, 2H), 7.88 (d, J = 7.5 Hz, 2H), 7.91 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.95 (d, J = 7.5 Hz, 2H), 8.17 (s, 2H)
분자량: C30H16N2S5 [M]+에 대한 계산상 수치 563.9917, HR-Mass 데이터: 563.9908
원소 분석 (계산값): C: 63.80, H:2.86, N:4.96, S:8.39.
원소 분석 (측정값): C: 63.78, H: 2.84, N:4.85, S: 28.46
화합물 2의 합성
4,7-비스(5-브로모싸이오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]싸이아디아졸 (1 g, 2.2 mmol)을 4,4,5,5-테트라메틸-2-(나프탈렌-2-일)-1,3,2-디옥사보롤레인 (1 g, 5.5 mmol), Pd(PPh3)4(테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)) (25 mg, 0.02 mmol), K2CO3 (2.1 g, 15 mmol)과 함께 THF 100 ㎖ 에 녹인 후, 1차 증류수 20 ㎖ 첨가하고 70℃에서 72 시간 동안 가열하면서 반응시켰다. 반응이 종결된 후 실온에서 THF를 감압 증류에 의하여 제거하고 반응 생성물을 뷰흐너 깔때기를 이용해서 감압 여과하였다. 여과된 반응 생성물을 승화에 의하여 분리 및 정제하여 붉은색의 고체인 화합물 2 1.00 g (수율 83%)을 얻었다. 얻어진 화합물 1을 NMR, 질량 분석 및 원소 분석에 의하여 확인하였다.
1H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ(ppm) 7.55 (t, J = 18 Hz, 2H), 7.78 (s, 1H), 7.93 (d, J = 7 Hz, 2H) 8.00 (d, J = 4.5 Hz, 2H), 8.18 (s, 1H), 8.23(s, 1H), 8.29 (s, 1H)
분자량: C34H20N2S3 [M]+에 대한 계산상 수치 552.0789, HR-Mass 데이터: 552.0789
원소 분석 (계산값): C: 73.88, H: 3.65, N: 5.07, S: 17.40
원소 분석 (측정값): C: 73.86, H: 3.59, N: 5.00, S: 17.49
중간체의 합성
화합물 1 및 화합물 2의 합성에 공통으로 사용한 중간체인 4,7-비스(5-브로모싸이오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]싸이아디아졸(화합물 4)는 아래와 같이 알려진 방법에 의하여 합성하였다.
흡수 및 발광 특성
도 3은 화합물 1의 용액 상태에서의 흡수 스펙트럼(absorption spectrum) 및 발광 스펙트럼(photoluminescence spectrum)을 나타낸 그래프이다. 화합물 1의 용액은 화합물 1을 DCM 용매에 용해하여 형성하였다. 도 3의 그래프를 참조하면, 화합물 1의 흡수 스펙트럼에서 가시광선 영역 중 약 360 nm의 피크는 벤조싸이오펜 부분에서의 π-π* 전이에 의한 흡수이고, 약 500 nm의 피크는 벤조싸이오펜 부분에서 벤조싸아이다이아졸 부분으로의 분자내 전하 전이(intramolecular charge transfer)에 인한 흡수이다. 화합물 1의 발광 스펙트럼에서는 600nm 파장에서 주된 발광을 보여주고 있다.
도 4는 화합물 2의 용액 상태에서의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 5는 화합물 2의 필름 상태에서의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 화합물 2의 용액은 화합물 2를 DCM 용매에 용해하여 형성하였고, 화합물 2의 필름은 화합물 2를 석영 플레이트 위에 50nm 두께로 열증착하여 형성하였다. 도 4의 그래프를 참조하면, 화합물 2의 흡수 스펙트럼에서 가시광선 영역 중에서 약 330 nm의 피크는 나프탈렌 부분에서의 π-π* 전이에 의한 흡수이고, 약 460 nm 영역에서는 벤조싸이오펜 부분에서 벤조싸아이 다이아졸 부분으로의 분자내 전하 전이로 인한 흡수이다. 화합물 2의 발광 스펙트럼에서는 약 560 nm 파장에서 주된 발광을 보여주고 있다.
도 5의 그래프를 참조하면, 필름 상태의 화합물 2의 흡수 스펙트럼이 용액 상태의 화합물 2의 흡수 스펙트럼 보다 짧은 파장으로 이동한 것을 알 수 있다. 이는 필름 상태에서 화합물 2가 H 형태의 응집(H-type aggragate)을 형성하기 때문이으로 여겨진다.
전기 화학적 특성
도 6은 화합물 2의 전류 전위(current-potential) 그래프이다. 도 6의 전류 전위 그래프는 전기 화학적 전지를 구성하여 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry)에 의하여 측정하였다. 전류 전위의 측정을 위한 전기 화학적 전지는 다음과 같이 구성하였다. 질산은(AgNO3)을 기준 전극(reference electrode)으로 사용하였고, 글래시 카본(glassy carbon)을 작업 전극(working electrode)으로 사용하였고, 백금 와이어(platinum wire)를 상대 전극(counter electrode)으로 사용하였다. 페로센 (ferrocene)을 HOMO 에너지 측정을 위한 기준 물질로 사용하였다. HOMO 에너지가 4.8eV로 알려진 페로센을 기준물질로 해서 화합물 2의 산화 에너지를 측정하고, 이 두 화합물의 산화 에너지 차이를 이용해서 화합물 2의 HOMO 에너지를 측정하였다. 측정 시료인 화합물 2 1.0 mM과 전해질인 테트라부틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트(tetrabutylammonium hexafluorophosphate) 0.1 M을 다이클로로메탄(dichloromethane) 10 ㎖ 에 섞어서 사용하였다.
도 6의 그래프를 참조하면, 화합물 2는 전기 화학적으로 비가역적인 산화과정(irreversible process)과 준가역적인(quasi-reversible process) 환원과정을 보여준다. 도 6의 그래프로부터 화합물 2의 산화에너지 준위를 얻었고, 이 산화에너지 준위로부터 화합물 2의 HOMO 에너지를 계산할 수 있었다.
도 4의 흡수 스펙트럼과 발광 스펙트럼 및 도 6의 전류 전위 그래프로부터 화합물 2의 HOMO 에너지 -5.12 eV, LUMO 에너지 -3.01 eV 가 얻어졌다.
도 7 및 도 8은 각각 밀도 함수 이론(density functional theory, DFT)을 수행하여 계산된 화합물 1 및 화합물 2의 HOMO와 LUMO의 분자 궤도함수를 에너지 준위와 함께 나타낸 다이어그램이다. 도 7 및 도 8의 다이어그램을 참조하면, 화합물 1 및 화합물 2의 HOMO는 모두 분자 내부에 골고루 퍼져 있고, LUMO는 벤조싸이아다이아졸 부분에 편재화(localized) 되어 있는 것을 알 수 있다. 이로부터 화합물 1 및 화합물 2에서 분자 전체로부터 벤조싸이아다이아졸 부분으로 분자 내의 전하이동(intramolecular charge transfer)이 잘 일어날 수 있음을 유추할 수 있다.
유기 태양전지 소자의 제조
실시예
1
양극으로서 ITO 기판을 사용하였다. 이 ITO 기판 상부에 MoO3을 5 ㎚ 두께로 진공 증착하여 정공 주입층을 형성하였다. 이 정공 주입층 위에 화합물 2를 10 ㎚ 두께로 진공 증착하고, 그 위에 풀러렌(C60)을 40 ㎚ 두께로 진공 증착하여 광활성층을 형성하였다. 이 광활성층 위에 BCP(2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10- 페난트롤린)를 8 ㎚ 두께로 진공 증착하여 엑시톤 확산 방지층을 형성하였다. 이 전자 수송층 위에 알루미늄을 100 ㎚ 두께로 진공 증착하여 음극을 형성함으로써 유기 태양전지 소자를 제조하였다.
실시예
2
화합물 2를 10 ㎚ 두께 대신 20 ㎚의 두께로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양전지 소자를 제조하였다.
전기적 특성
도 9는 실시예 1 및 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 전류밀도 대 전압의 그래프이다. 태양 모의장치(Newport, 91160A)를 사용하여 AM 1.5 G의 100 mW/cm2 광을 조사하면서 실시예 1 및 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 ITO 전극과 Al 전극 사이의 전압을 -1.0 V 로부터 1.5 V까지 변화시키면서 전류 밀도를 측정하였다. 전류 대 전압의 측정 장치는 Keithely 237 (Tektronix 사)을 사용하였다.
도 10은 실시예 1 및 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 파장에 따른 광전류변환효율(incident photon to current conversion efficiency, IPCE)을 측정한 그래프이다.
실시예 1 및 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 전류밀도 대 전압 그래프로부터 얻은 단락 전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc), 채움율(fill factor, FF) 및 전력변환효율(photon conversion efficiency, PCE)을 표 1에 정리하였다.
| 광활성층 | VOC (V) | JSC (mA/cm2) | FF (%) | PCE (%) | |
| 실시예 1 | 화합물 2: 10 nm 풀러렌: 30 nm |
0.89 | 3.32 | 0.57 | 1.68 |
| 실시예 2 | 화합물 2: 20 nm 풀러렌: 30 nm |
0.90 | 3.63 | 0.47 | 1.53 |
도 9 및 표 1을 참조하면, 실시예 1의 유기 태양전지에서 1.68%의 광전환 효율을 보여주지만, 실시예 2의 유기 태양전지에서 광전환 효율이 1.53%로 감소되었다. 이는 실시예 2의 유기 태양전지에서 광활성층의 두께가 두꺼워짐에 따라 태양빛의 흡수는 증가되지만, 엑시톤이 이동할 수 있는 한계 거리를 넘어서기 때문에 엑시톤이 효율적으로 전자와 정공으로 분리되지 못하기 때문인 것으로 판단된다.
도 10을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 유기 태양전지 소자의 파장에 따른 광전류변환효율은 화합물 2의 흡수 스펙트럼과 유사하게 400 ㎚ 근방에서 최대 효율을 나타내고 있다.
110: 기판 120: 양극
130: 정공 수송층 140, 240: 광활성층
142: 전자 주게층 144: 전자 받게층
150: 엑시톤 확산 방지층 160: 음극
130: 정공 수송층 140, 240: 광활성층
142: 전자 주게층 144: 전자 받게층
150: 엑시톤 확산 방지층 160: 음극
Claims (11)
- 하기 화학식 1로 표시되는 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물:
<화학식 1>
Ar1 는 하기 화학식 1A 또는 화학식 1B이고,
<화학식 1A> <화학식 1B>
Y1은 CH2, S 또는 O 이고, *은 결합 사이트이고,
R1 은 수소이고,
R2 는 수소 및 C1-C10 알킬기 중에서 선택되고,
R3 내지 R4 는 서로 독립적으로 수소 원자, 중수소 원자, 히드록실기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소부틸기, sec-부틸기, 메톡시기, 에톡시기 및 이소프로필옥시기 중에서 선택된다. - 제1항에 있어서, 하기 화학식 2A 및 2B 중 하나로 표시되는 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물:
R3 및 R4 는 서로 독립적으로 수소 원자, 중수소 원자, 히드록실기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 메틸기, 에틸기 및 메톡시기 중에서 선택된다. - 제1항에 있어서, 하기 화합물 1 또는 2로 표시되는 화합물들 중 하나인 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물:
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 양극;
상기 양극과 대향하는 음극; 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하고, 전자 주게층과 전자 받게층을 포함하는 광활성층을 포함하되,
상기 전자 주게층은 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 벤조싸이아다이아졸 유도체 화합물을 포함하고, 상기 전자 받게층은 전자 받게 물질을 포함하는 유기 태양전지. - 제7항에 있어서, 상기 전자 받게 물질은 C60, C70, C76 및 C84의 풀러렌(fullerene), PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methylester), PCBM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester), 페릴렌, PTCDA(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride) 또는 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole)를 포함하는 유기 태양전지.
- 제7항에 있어서, 상기 전자 주게 물질은 상기 화합물 1 또는 화합물 2인 유기 태양전지.
- 제7항에 있어서, 상기 전자 주게층의 두께는 100-400Å의 범위를 갖고, 상기 전자 받게층의 두께는 100-400Å의 범위를 갖는 유기 태양전지.
- 제7항에 있어서, 상기 광활성층의 두께는 200-800Å의 범위를 갖는 유기 태양전지.
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Non-Patent Citations (1)
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| Adv. Funct. Mater. 2008, 18, pp.3299-3306* |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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