KR101620138B1 - 축합고리 화합물, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 축합고리 화합물, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

축합고리 화합물, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법{FUSED CYCLIC COMPOUND, ORGANIC SOLAR CELL COMPRISING THE SAME AND FABRICATING METHOD THEREOF}
본 명세서는 축합고리 화합물, 이를 이용한 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
유기물을 이용한 태양전지는 손쉬운 가공성과 다양성, 값싼 제조단가와 높은 유연성을 갖고 있는 장점으로 주목을 받아오고 있으며 새로운 물질의 개발과 함께 빠르게 성장하고 있다.
유기 반도체는 유기물의 가장 큰 장점인 저렴한 비용과 제조공정 상의 용이성을 바탕으로, 박막형 소자, 대면적 소자, 롤투롤(roll-to-roll) 방법이 가능한 플렉서블 소자 등 저가의 태양전지 제작에 핵심적인 재료로 등장할 것으로 전망되고 있다.
유기태양전지의 가능성이 처음 제시되었던 것은 1970년대이지만 효율이 너무 낮아 실용성이 없었다.
그러나 1986년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)의 탕(C.W.Tang)이 프탈로시아닌 구리(copper phthalocyanine, CuPc)와 페릴렌 테트라카르복실산(perylene tetracarboxylic acid) 유도체를 이용한 이중층 구조로 다양한 태양전지로서의 실용화 가능성을 보이자, 유기태양전지에 대한 관심과 관심과 연구가 급속도로 증가하며 많은 발전을 가져왔다.
이후 1995년에는 유(Yu) 등에 의해 벌크헤테로정션(BHJ) 개념이 도입되었고, PCBM과 같이 용해도가 향상된 플러렌(fullerene) 유도체가 n형 반도체 물질로 개발되면서 유기태양전지의 효율 면에서 획기적인 발전이 있었다.
그러나 출발 물질인 플러렌이 비싸며 합성이 어렵고 용해도가 좋지 않다는 등의 문제점이 여전히 전자받개물질 개발에 큰 걸림돌이 되고 있다.
기존의 물질을 대체하기 위해 낮은 밴드갭(bandgap)을 갖는 전자주개(e-donor) 물질과 전하 이동도가 좋은 새로운 전자받개(e-acceptor) 물질들의 개발이 지속적으로 연구되고 있다.
1. Two-layer organic photovoltaic cell (C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1996)) 2. Efficiencies via Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions(G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270, 1789. (1995))
본 명세서의 목적은 열적 안정성, 높은 용해도 및 전자 이동도를 갖는 축합고리 화합물, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서,
하기 화학식 1로 표시되는 축합고리 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112013052839599-pat00001
화학식 1에 있어서,
Cy는 치환 또는 비치환된 지방족의 축합고리; 치환 또는 비치환된 방향족의 축합고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 지방족 헤테로의 축합고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 방향족 헤테로의 축합고리; 치환 또는 비치환된 지방족 고리와 방향족 고리의 축합고리; 치환 또는 비치환된 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 지방족 헤테로고리와 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 방향족 헤테로고리의 축합고리; 치환 또는 비치환된 탄화수소 고리와 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로의 고리와의 축합고리; 또는 C60 내지 C84의 치환 또는 비치환된 플러렌이고,
n은 1 내지 4의 정수이며,
m은 1 내지 3의 정수이고,
A는 치환 또는 비치환된 알킬렌기이며,
R은 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 아미노기; 티올기; 티오에스터기; 에스터기; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아르알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 축합고리 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극의 상부에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 1층 이상의 유기물층은 상기 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지를 비롯한 유기 전자 소자의 유기물층의 재료로서 사용될 수 있고, 이를 이용한 유기 태양 전지를 비롯한 유기 전자 소자는 효율 상승 및 안정성 상승 등에서 우수한 특성을 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물은 유기 태양 전지를 비롯한 유기 전자 소자에서 순수하게 사용하거나, 불순물을 섞어서 사용가능 하며, 진공 증착이나, 용액 도포법 등으로 적용 가능하다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물은 광 효율을 향상시키며, 열적 안정성이 우수하여, 소자의 수명 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 도시한 것이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 화학식 1의 축합고리 화합물을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 축합고리 화합물은 이중결합을 포함하는 단환의 고리를 포함한다.
본 명세서에서 상기 축합고리는 지방족의 축합고리; 방향족의 축합고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 지방족 헤테로의 축합고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 방향족 헤테로의 축합고리; 지방족 고리와 방향족 고리의 축합고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 지방족 헤테로고리와 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 방향족 헤테로고리의 축합고리; 탄화수소 고리와 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로의 고리와의 축합고리; 또는 C60 내지 C84의 플러렌이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Cy는 C60 내지 C84의 플러렌이다.
본 명세서에 있어서, 상기 축합고리는 두 개 또는 그 이상의 고리가 두 개 또는 그 이상의 원자를 공유한 형태의 고리 모양 구조를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 지방족의 축합고리는 시클로헥산, 시클로펜탄, 시클로헵탄, 시클로옥탄 또는 시클로헥산디온이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 방향족의 축합고리는 나프탈렌; 안트라센; 페난트릴; 트리페닐렌; 플루오란텐; 파이렌; 페릴렌; 크라이센; 아세나프탈렌; 플루오렌; 또는 테트라센이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 지방족 헤테로의 축합고리는 피페리딘, 테트라하이드로티오피란, 테트라하이드로피란, 디옥산, 피롤리딘, 테트라하이드로퓨란 또는 테트라하이드로티오펜이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 방향족 헤테로의 축합고리는 퀴놀린; 신놀린; 퀴나졸린; 퀴녹살린; 프탈라진; 나프티리딘; 페난트롤린; 아크리딘; 카바졸; 디벤조퓨란; 벤조이미다졸; 디벤조티오펜; 벤조티오펜; 벤조퓨란; 벤조티아디아졸; 피리도 피리미딘; 피리도 피라진; 피라지노 피라진; 이소퀴놀린; 인돌; 벤조옥사졸; 벤조티아졸; 벤조카바졸; 벤조티아졸; 또는 페노티아진이다.
상기 축합고리는 추가적으로 중수소; 할로겐기; 알킬기; 알케닐기; 알콕시기; 시클로알킬기; 실릴기; 아릴알케닐기; 아릴기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 붕소기; 알킬아민기; 아랄킬아민기; 아릴아민기; 헤테로아릴기; 카바졸기; 아릴아민기; 아릴기; 플루오레닐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로 고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되거나, 인접하는 치환기는 서로 시클로알킬; 시클로알케닐; 방향족고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 지방족 헤테로고리; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 방향족 헤테로고리를 형성하거나, 동일 탄소내의 치환기는 스피로 결합; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 이민기; 또는 치환 또는 비치환된 알케닐기를 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 m은 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 m은 2이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 m은 3이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 것인 축합고리 화합물을 제공한다.
[화학식 2]
Figure 112013052839599-pat00002
[화학식 3]
Figure 112013052839599-pat00003
[화학식 4]
Figure 112013052839599-pat00004
화학식 2 내지 4에 있어서,
Cy, R, A 및 n은 화학식 1에서 정의한 바와 동일하고,
R' 및 R"는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 R의 정의와 동일하며,
A' 및 A"는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 A의 정의와 동일하고,
n' 및 n"는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 n의 정의와 동일하다.
본 명세서에 따른 축합고리 화합물의 단환 고리 치환체의 위치를 한정하지 않는다. 따라서, 플러렌의 2중 결합의 어느 위치건 치환될 수 있는 것을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n은 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n은 2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n은 3이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n은 4이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 5 내지 8 중 어느 하나로 표시되는 축합고리 화합물을 제공한다.
[화학식 5]
Figure 112013052839599-pat00005
[화학식 6]
Figure 112013052839599-pat00006
[화학식 7]
Figure 112013052839599-pat00007
[화학식 8]
Figure 112013052839599-pat00008
화학식 5 내지 8에 있어서,
Cy, R 및 m은 화학식 1에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 수소; 아미드기; 히드록시기; 아미노기; 티올기; 티오에스터기; 에스터기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 및 치환 또는 비치환된 알콕시기로 이루어진 군에서 선택된다.
R이 수소; 아미드기; 히드록시기; 아미노기; 티올기; 티오에스터기; 에스터기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 알콕시기인 경우, 축합고리 화합물의 용해도가 상승하여, 유기 태양 전지의 제조시 용이한 이점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 5로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 51의 축합고리 화합물로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 6로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 61의 축합고리 화합물로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 7로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 71의 축합고리 화합물로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 8로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 81의 축합고리 화합물로 표시된다.
[화학식 51]
Figure 112013052839599-pat00009
[화학식 61]
Figure 112013052839599-pat00010
[화학식 71]
Figure 112013052839599-pat00011
[화학식 81]
Figure 112013052839599-pat00012
상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기 및 헵틸기 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 비닐, 1-프로페닐, 이소프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 1-펜테닐, 2-펜테닐, 3-펜테닐, 3-메틸-1-부테닐, 1,3-부타디에닐, 알릴, 1-페닐비닐-1-일, 2-페닐비닐-1-일, 2,2-디페닐비닐-1-일, 2-페닐-2-(나프틸-1-일)비닐-1-일, 2,2-비스(디페닐-1-일)비닐-1-일, 스틸베닐기, 스티레닐기 등이 있으나 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소프로폭시, i-프로필옥시, n-부톡시, 이소부톡시, tert-부톡시, sec-부톡시, n-펜틸옥시, 네오펜틸옥시, 이소펜틸옥시, n-헥실옥시, 3,3-디메틸부틸옥시, 2-에틸부틸옥시, n-옥틸옥시, n-노닐옥시, n-데실옥시, 벤질옥시, p-메틸벤질옥시 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 구체적으로 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 3-메틸시클로펜틸, 2,3-디메틸시클로펜틸, 시클로헥실, 3-메틸시클로헥실, 4-메틸시클로헥실, 2,3-디메틸시클로헥실, 3,4,5-트리메틸시클로헥실, 4-tert-부틸시클로헥실, 시클로헵틸, 시클로옥틸 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 아르알킬기는 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 아르알킬기의 탄소수는 7 내지 50이다. 구체적으로 아릴부분은 탄소수 6 내지 49이고, 알킬 부분은 탄소수 1 내지 44이다. 구체적인 예로는 벤질기기, p-메틸벤질기, m-메틸벤질기, p-에틸벤질기, m-에틸벤질기, 3,5-디메틸벤질기, α-메틸벤질기, α,α-디메틸벤질기, α,α-메틸페닐벤질기, 1-나프틸벤질기, 2-나프틸벤질기, p-플루오르벤질기, 3,5-디플루오르벤질기, α,α-디트리플루오로메틸벤질기, p-메톡시벤질기, m-메톡시벤질기, α-페녹시벤질기, α-벤질기옥시벤질기, 나프틸메틸기, 나프틸에틸기, 나프틸이소프로필기, 피롤릴메틸기, 피롤렐에틸기, 아미노벤질기, 니트로벤질기, 시아노벤질기, 1-히드록시-2-페닐이소프로필기, 1-클로로-2-페닐이소프로필기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 실릴기는 구체적으로 트리메틸실릴기, 트리에틸실릴기, t-부틸디메틸실릴기, 비닐디메틸실릴기, 프로필디메틸실릴기, 트리페닐실릴기, 디페닐실릴기, 페닐실릴기 등이 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 할로겐기는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴기는 단환식일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 60인 것이 바람직하다. 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 비페닐기, 트라이페닐기, 터페닐기, 스틸벤기 등의 단환식 방향족 및 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세나프타센닐기, 트리페닐렌기, 플루오란텐(fluoranthene)기 등의 다환식 방향족등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 헤테로 고리기는 이종원자로 O, N 또는 S를 포함하는 헤테로 고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기(phenanthroline) 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 이미드기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 하기와 같은 구조의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112013052839599-pat00013
본 명세서에 있어서, 아미드기는 아미드기의 질소가 수소, 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 25의 아릴기로 1 또는 2 치환될 수 있다. 구체적으로, 하기 구조식의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112013052839599-pat00014
본 명세서에 있어서, 에스터기의 일반식은 -COORa의 일반식으로 표현될 수 있다. 상기 Ra는 수소; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
구체적으로, 하기 구조식의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112013052839599-pat00015
본 명세서에 있어서 헤테로아릴기는 전술한 헤테로 고리기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 플루오레닐기는 2개의 고리 유기화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조로서, 예로는
Figure 112013052839599-pat00016
,
Figure 112013052839599-pat00017
등이 있다.
본 명세서에 있어서, 플루오레닐기는 열린 플루오레닐기의 구조를 포함하며, 여기서 열린 플루오레닐기는 2개의 고리 화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조에서 한쪽 고리 화합물이 연결이 끊어진 상태의 구조로서, 예로는
Figure 112013052839599-pat00018
및
Figure 112013052839599-pat00019
등이 있다.
본 명세서에 있어서, 아민기는 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 1 내지 30인 것이 바람직하다. 아민기의 구체적인 예로는 메틸아민기, 디메틸아민기, 에틸아민기, 디에틸아민기, 페닐아민기, 나프틸아민기, 비페닐아민기, 안트라세닐아민기, 9-메틸-안트라세닐아민기, 디페닐아민기, 페닐나프틸아민기, 디톨릴아민기, 페닐톨릴아민기, 트리페닐아민기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴아민기의 예로는 치환 또는 비치환된 모노아릴아민기, 치환 또는 비치환된 디아릴아민기, 또는 치환 또는 비치환된 트리아릴아민기가 있다. 상기 아릴아민기 중의 아릴기는 단환식 아릴기일 수 있고, 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 아릴기가 2 이상을 포함하는 아릴아민기는 단환식 아릴기, 다환식 아릴기, 또는 단환식아릴기와 다환식 아릴기를 동시에 포함할 수 있다.
아릴 아민기의 구체적인 예로는 페닐아민, 나프틸아민, 비페닐아민, 안트라세닐아민, 3-메틸-페닐아민, 4-메틸-나프틸아민, 2-메틸-비페닐아민, 9-메틸-안트라세닐아민, 디페닐 아민기, 페닐 나프틸 아민기, 디톨릴 아민기, 페닐 톨릴 아민기, 카바졸 및 트리페닐 아민기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴옥시기, 아릴티옥시기, 아릴술폭시기 및 아랄킬아민기중의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다.
본 명세서에 있어서, 알킬티옥시기, 알킬술폭시기, 알킬아민기 및 아랄킬아민기 중의 알킬기는 전술한 알킬기의 예시와 같다.
본 명세서에 있어서, 헤테로아릴아민기 중의 헤테로 아릴기는 전술한 헤테로고리기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 인접하는 기는 서로 이웃하는 탄소에 치환된 치환기를 의미한다.
본 명세서에 있어서, 동일 탄소내의 치환기는 하나의 탄소를 공유하는 치환기를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 알킬기; 알케닐기; 알콕시기; 시클로알킬기; 실릴기; 아릴알케닐기; 아릴기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 붕소기; 알킬아민기; 아랄킬아민기; 아릴아민기; 헤테로아릴기; 카바졸기; 아릴아민기; 아릴기; 플루오레닐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로 고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 메틸기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 알킬기로 치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 에틸기로 치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 알킬기로 치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 할로겐기로 치환 또는 비치환된 알킬기로 치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 헵타플루오로 부틸기로 치환 또는 비치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 아릴기로 치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 알킬기로 치환된 아릴기로 치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 페닐기로 치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 헥실기로 치환된 페닐기로 치환된 에스터기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-16 중 어느 하나로 표시되는 것인 축합고리 화합물을 제공하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 1-1]
Figure 112013052839599-pat00020
[화학식 1-2]
Figure 112013052839599-pat00021
[화학식 1-3]
Figure 112013052839599-pat00022
[화학식 1-4]
Figure 112013052839599-pat00023
[화학식 1-5]
Figure 112013052839599-pat00024
[화학식 1-6]
Figure 112013052839599-pat00025
[화학식 1-7]
Figure 112013052839599-pat00026
[화학식 1-8]
Figure 112013052839599-pat00027
[화학식 1-9]
Figure 112013052839599-pat00028
[화학식 1-10]
Figure 112013052839599-pat00029
[화학식 1-11]
Figure 112013052839599-pat00030
[화학식 1-12]
Figure 112013052839599-pat00031
[화학식 1-13]
Figure 112013052839599-pat00032
[화학식 1-14]
Figure 112013052839599-pat00033
[화학식 1-15]
Figure 112013052839599-pat00034
[화학식 1-16]
Figure 112013052839599-pat00035
화학식 1-1 내지 1-16에 있어서, m은 상기에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서에서 상기 Et는 에틸기이고, Hx는 헥실기를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 축합고리 화합물은 LUMO 에너지 레벨이 -3.5 eV 내지 -3.9 eV이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물은 전기장이 인가되었을 때, 정공과 전자의 주입이 쉽게 일어나는 분자 오비탈 즉, HOMO 및 LUMO 에너지를 가질 수 있어, 전하 주입 및 전류 이동성이 향상된다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물은 이웃한 분자들 사이의 효과적인 전하 이동이 일어날 수 있는 프론티어 오비탈의 충분한 겹침을 갖을 수 있다. 따라서, 상기 축합고리 화합물을 이용하는 유기 태양 전지는 고 효율을 가질 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물은 용해도가 우수하여, 유기 태양 전지를 제작하는 경우, 저온의 용액 공정이 가능하므로, 플라스틱 기판에도 쉽게 박막을 형성할 수 있어, 비용적으로 경제적이다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물은 단결정 같은 박막 형태를 가진 필름 형태가 가능하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물은 분자내 파이-파이 스태킹(π-π stacking)의 방향을 따라서 효과적인 전하이동이 일어날 수 있다.
상기 화학식 1의 축합고리 화합물은 하기와 같이 Cy의 탄소 뭉치 화합물에 치환 또는 비치환된 알케닐기를 도입하고, 그럽스 촉매(Grubbs catalyst)를 이용한 폐환 반응(ring cloing metathesis)을 통하여 제조된다.
Figure 112013052839599-pat00036
1 세대 또는 2세대 그럽스 촉매 (grubbs catalyst 1st or 2nd generation)
Figure 112013052839599-pat00037
Figure 112013052839599-pat00038
본 명세서에서 상기 방법으로 화학식
Figure 112013052839599-pat00039
에서, R 및 n을 조절하여, 원하고자 하는 플러렌 유도체를 제조할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 예시한 도이다. 상기 도 1에서는 기판(101), 제1 전극(102), 정공수송층(103), 광활성층(104) 및 제2 전극(105)를 포함한다.
유기태양전지의 원리는 광 여기에 의하여 p형 반도체가 전자와 정공이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton)을 형성하고, 상기 엑시톤이 p-n 접합부에서 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 n형 반도체 박막 및 p형 반도체 박막으로 각각 이동하고 이들이 각각 제1 전극과 제2 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 정공수송층, 정공주입층 또는 정공수송과 정공주입을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 정공수송층, 정공주입층 또는 정공수송과 정공주입을 동시에 하는 층은 상기 축합고리 화합물을 포함한다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입과 전자수송을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입과 전자수송을 동시에 하는 층은 상기 축합고리 화합물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 상기 축합고리 화합물을 포함한다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하며, 상기 전자 받개 물질은 상기 축합고리 화합물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 축합고리 화합물은 간단한 제조 방법을 통하여, 유기 용매에 대한 용해성이 우수한 전자 받개 물질을 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 광반응성, 광안정성 및 전도성을 가질 수 있는 물질을 출발 물질로 사용할 수 있어, 반응 시 용해도가 높은 전자 받개 물질을 제조할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 벌크 헤테로 정션(BHJ) 접합형인 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
벌크 헤테로 정션이란 광활성층에서 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 서로 섞여 있는 것을 의미한다.
상기 전자 주개 물질은 광흡수 파장 범위나 태양광 스펙트럼과 잘 맞으며, 강한 광흡수도를 갖고 전하의 이동도 등의 전기적 물성이 뛰어난 고분자 화합물을 사용할 수 있다.
대표적인 전자 주개 물질은 PPV(poly (phenylene vinylene))계 고분자 또는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))계 고분자를 비롯하여 하기와 같은 구조들이 있다.
Figure 112013052839599-pat00040
n은 1 내지 1000의 정수이고,
Rm은 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 방향족 또는 지방족의 헤테로 고리기, 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
상기 전자 주개 물질들은 태양광의 가시광선 전 영역을 흡수할 수 있도록 밴드갭이 작은 물질들이 바람직하며, 고분자 화합물이 일반적이나, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
상기 전자 주개 물질 및 상기 전자 받개 물질은 1:10 내지 10:1의 비율(w/w)로 혼합된다. 상기 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질이 혼합된 후에 특성을 최대화 시키기 위해서 30 내지 300 ℃에서 1초 내지 24시간 어닐링할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 두께는 10 Å 내지 10,000 Å이다.
상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기 태양 전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다. 구체적으로 유리 또는 PET(polyethylene terphthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polypropylene), PI(polyimide), TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극은 애노드, 제2 전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 제1 전극은 캐소드, 제2 전극은 애노드이다.
상기 애노드은 통상 유기물층으로 정공 주입이 원활할 수 있도록 일함수가 큰 물질이 바람직하다. 또한, 투명하고, 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에서 사용될 수 있는 애노드 물질의 구체적인 예로는 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SNO2 : Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 폴리(3-메틸티오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 캐소드는 통상 유기물층으로 전자 주입이 용이하도록 일함수가 작은 물질인 것이 바람직하다. 캐소드 물질의 구체적인 예로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; Al/Li, Al/BaF2, Al/BaF2/Ba, LiF/Al 또는 LiO2/Al과 같은 다층 구조 물질 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 광활성층에서 분리된 전자와 정공을 전극으로 효율적으로 전달시키는 역할을 담당하며, 물질을 특별히 제한하지는 않는다.
상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)), 몰리브데늄 산화물(MoOx); 바나듐 산화물(V2O5); 니켈 산화물(NiO); 및 텅스텐 산화물(WOx) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층 물질은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 8-히드록시퀴놀린의 금속착물; Alq3를 포함한 착물; Liq를 포함한 금속착물; LiF; Ca; 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드, 광활성층, 캐소드 순으로 배열된다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 캐소드, 광활성층 및 애노드 순으로 배열된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 캐소드 전극 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드 전극, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 전극 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지는 전술한 화학식 1의 축합고리 화합물을 유기 태양 전지의 유기물층 중 1층 이상에 사용한다는 것을 제외하고는, 통상의 유기 태양 전지의 제조방법 및 재료를 사용하여 제조될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 시판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상부에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 1층 이상의 유기물층은 상기 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상부에 애노드를 형성하는 단계, 상기 애노드 위에 정공수송층을 형성하는 단계, 상기 정공수송층 위에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 위에 전자수송층을 형성하는 단계 및 상기 전자수송층 위에 캐소드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상부에 캐소드를 형성하는 단계, 상기 캐소드 위에 전자수송층을 형성하는 단계, 상기 전자수송층 위에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 위에 정공수송층을 형성하는 단계 및 상기 정공수송층 위에 애노드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 명세서의 유기 태양전지는 예컨대 기판 상에 애노드, 광활성층 및 캐소드를 순차적으로 적층시킴으로써 제조할 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 유기 태양 전지는 스퍼터링(sputtering)이나 전자빔 증발(e-beam evaporation)과 같은 PVD(physical vapor deposition) 방법을 이용하여, 기판 상에 금속 또는 전도성을 가지는 금속 산화물 또는 이들의 합금을 증착시켜 양극을 형성하고, 그 위에 유기물층을 진공증착 내지는 용액 도포법으로 유기물층을 형성한 후, 그 위에 음극으로 사용할 수 있는 물질을 증착시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 각 층의 유기물층은 다양한 단분자 내지는 고분자 소재를 사용하여 증착법이 아닌 용매 공정(solvent process), 예컨대 롤투롤(roll to roll), 스핀 코팅, 딥 코팅, 캐스팅, 롤코트(roll court), 플로우 코팅(flow coating), 닥터 블레이딩, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄, 스프레이 코팅 또는 열 전사법 등의 방법에 의하여 제조할 수 있다.
상기 각 층의 유기물층, 진공증착, 스퍼터링, 플라즈마, 이온도금 등의 건식 성막법 등의 방법에 의하여 제조할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 애노드 증착 단계, 광활성층 적층 단계, 광활성층 정렬 단계, 광활성층 열처리 단계, 캐소드 증착 단계를 포함할 수 있다.
상기 광활성층 적층 단계는 양극의 상측에 전자 주개 물질, 전자 받개 물질을 혼합한 용액을 분사하여 증착하는 복합 박막 구조 즉, 벌크 헤테로 정션으로 배치할 수 있다.
상기 전자 받개 물질은 유기 용매에 복합 고분자 물질을 녹은 혼합액을 사용할 수 있으며, 상기 축합고리 화합물을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 축합고리 화합물에 P3HT를 유기용매에 녹여 사용한다.
상기 축합고리 화합물의 제조 방법 및 이를 이용한 유기 태양 전지의 제조는 이하 제조예 및 실시예에서 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것이며, 본 명세서의 범위가 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[ 제조예 1] 화학식 1- 1 의 제조
Figure 112013052839599-pat00041
(1)
C60 720mg을 200 ml의 오르토-디클로로벤젠(ODCB(o-dichloro benzene))에 녹이고 디메틸포름아미드(DMF(dimethylformamide) 1.29ml를 넣고 3ml의 1M 바이닐마그네슘 염화물 수용액(vinylmagnesium chloride solution)을 첨가하였다. 실온에서 10분 정도 교반한 후에 암모늄 클로라이드 수용액을 0.2ml 넣어 반응을 끝내고, 유기용매를 날려주었다. 유기용매를 날린 후 톨루엔을 이용하여 실리카패드를 통과시켜 정제를 하였다. 수득률 35%로 검정색의 고체 시료를 얻었다.
(2)
칼륨 t-부톡사이드(Potassium t-butoxide)를 테트라하이드로퓨란(THF)으로 1M 용액을 만들고, 이 용액 0.3ml를 190 mg의 바이닐디하이드로플러렌(allyl dihydrofullerene) 화합물이 50ml의 벤조니트릴(benzonitrile)에 녹아있는 용액에 첨가하였다. 10분 정도 실온에서 교반시킨 다음 0.13mg의 3-브로모-2-메틸-1-프로펜(3-bromo-2-methyl-1-propene)을 넣어주었다. 반응성 정도에 따라 실온에서 약간의 열(heating)을 가하였다. 반응이 종결되면 1ml 암모늄 클로라이드 수용액을 첨가하고 용매를 날려주었다. 톨루엔에 녹여 실리카 패드를 통과시켜주고 다시 농축을 시킨 후 메탄올에 침전 잡아 고체 시료를 얻어내었다.
(3)
얻어진 디알케닐플러렌(dialkenyl fullerene) 80 mg을 클로로포름(chloroform) 에 녹이고 1mg의 그럽스 촉매(Grubbs catalyst)를 넣고, 교반하였다. 반응이 종결되면 용매를 날리고 컬럼 크로마토 그래피를 통하여, 정제를 해주었다.
[ 제조예 2] 화학식 1-2의 화합물의 제조
제조예 1의 (2)에서 3-브로모-2-메틸-1-프로펜(3-bromo-2-methyl-1-propene) 대신에 4-브로모-2-메틸-1-부텐(4-bromo-2-methyl-1-betene)을 첨가한 것을 제외하고, 동일한 방법으로 화학식 1-2를 제조하였다.
[ 제조예 3] 화학식 1-3의 화합물의 제조
제조예 1의 (2)에서 3-브로모-2-메틸-1-프로펜(3-bromo-2-methyl-1-propene) 대신에 5-브로모-2-메틸-1-펜텐(5-bromo-2-methyl-1-pentene)을 첨가한 것을 제외하고, 동일한 방법으로 화학식 1-3을 제조하였다.
상기 제조예1 내지 3에서 제조한 화합물의 전기화학적 특성을 관찰하기 위하여 사이클릭 볼타메트리(Cyclic Voltammetry, CV)를 이용하여 산화/환원 특성을 관찰하였다.
CV 장비는 AUTOLAB을 사용하였고, 전해질로는 아세토니트릴에 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(Bu4NBF4)를 0.1M 용액을 만들어 사용하였으며, 시료는 10-3M의 농도로 녹일 수 있는 용매를 선택하여 녹였다.
유리탄소 전극을 작업(working )전극으로 사용하였으며 Pt와 Ag/AgCl 전극을 카운터 전극과 기준 전극으로 사용하여 결과를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
화합물 HOMO 에너지 준위(eV) LUMO 에너지 준위(eV)
화학식 1-1 6.39 3.63
화학식 1-2 6.40 3.65
화학식 1-3 6.41 3.67
P3HT 5.0 3.0
일반적으로 유기태양전지의 개방전압은 전자주개 물질의 HOMO 에너지 준위와 전자받개 물질의 LUMO 에너지 준위의 차이에서 기인하는 것으로 알려져 있는데, 본원 발명의 방향족 고리 화합물들은 기존 전자 주게 물질로 알려진 P3HT보다 0.3 ~ 0.4 eV 정도 낮은 HOMO 에너지 준위를 가지고 있어 유기태양전지에서 보다 높은 개방 전압을 얻을 수 있다.
[ 실시예 1] 유기 태양전지
상기 제조예 1~3에서 제조한 화합물과 P3HT를 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene, DCB)과 클로로포름 혼합용액이나 클로로포름에 녹여 복합 용액(composite solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 1.0wt%로 조절하였으며, 유기태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 이소프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45nm 두께로 PEDOT:PSS(baytron P)를 스핀코팅하여 120℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 P3HT:화합물 복합용액을 0.45μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여 120℃에서 5분간 열처리하였다. 상기와 같이 제조된 유기태양전지의 광전변환특성을 100mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
활성층 총두께
(nm)		 VOC
(V)		 JSC
(mA/cm2)		 FF PCE
(%)
P3HT/화학식 1-1 = 1:0.7 92 0.72 2.24 0.7 1.13
P3HT/화학식 1-2 = 1:0.7 97 0.71 2.1 0.65 0.97
P3HT/화학식 1-3 = 1:0.7 91 0.66 2.4 0.62 0.98
상기 화학식 1-1은 n=1, Cy는 C60의 플러렌, R은 메틸기인 것인 화합물이다.
상기 화학식 1-2는 n=2, Cy는 C60의 플러렌, R은 메틸기인 것인 화합물이다.
상기 화학식 1-3은 n=3, Cy는 C60의 플러렌, R은 메틸기인 것인 화합물이다.
이상 본 발명의 실시예들을 기술하였지만 본 발명이 속하는 분야의 지식을 가진자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 발명의 범주를 알려주기 위해 제공되는 것이므로 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
101: 기판
102: 제1 전극
103: 정공수송층
104: 광활성층
105: 제2 전극

Claims (15)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 축합고리 화합물:
    [화학식 1]
    Figure 112015120639483-pat00042

    화학식 1에 있어서,
    Cy는 치환 또는 비치환된 지방족의 축합고리; 치환 또는 비치환된 방향족의 축합고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 지방족 헤테로의 축합고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 방향족 헤테로의 축합고리; 치환 또는 비치환된 지방족 고리와 방향족 고리의 축합고리; 치환 또는 비치환된 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 지방족 헤테로고리와 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 방향족 헤테로고리의 축합고리; 치환 또는 비치환된 탄화수소 고리와 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로의 고리와의 축합고리; 또는 C60 내지 C84의 치환 또는 비치환된 플러렌이고,
    n은 1 내지 4의 정수이며,
    m은 1 내지 3의 정수이고,
    A는 치환 또는 비치환된 알킬렌기이며,
    R은 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 티올기; 티오에스터기; 에스터기; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아르알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 및 O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 것인 축합고리 화합물:
    [화학식 2]
    Figure 112013052839599-pat00043

    [화학식 3]
    Figure 112013052839599-pat00044

    [화학식 4]
    Figure 112013052839599-pat00045

    화학식 2 내지 4에 있어서,
    Cy, R, A 및 n은 화학식 1에서 정의한 바와 동일하고,
    R' 및 R"는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 R의 정의와 동일하며,
    A' 및 A"는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 A의 정의와 동일하고,
    n' 및 n"는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 n의 정의와 동일하다.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 m은 2인 것인 축합고리 화합물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 5 내지 8 중 어느 하나로 표시되는 것인 축합고리 화합물:
    [화학식 5]
    Figure 112013052839599-pat00046

    [화학식 6]
    Figure 112013052839599-pat00047

    [화학식 7]
    Figure 112013052839599-pat00048

    [화학식 8]
    Figure 112013052839599-pat00049

    화학식 5 내지 8에 있어서,
    Cy, R 및 m은 화학식 1에서 정의한 바와 동일하다.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 R은 수소; 히드록시기; 티올기; 티오에스터기; 에스터기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 및 치환 또는 비치환된 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 것인 축합고리 화합물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 R은 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 에스터기인 것인 축합고리 화합물.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 Cy는 C60 내지 C84의 플러렌인 것인 축합고리 화합물.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식1로 표시되는 축합고리 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-16 중 어느 하나로 표시되는 것인 축합고리 화합물:
    [화학식 1-1]
    Figure 112013052839599-pat00050

    [화학식 1-2]
    Figure 112013052839599-pat00051

    [화학식 1-3]
    Figure 112013052839599-pat00052

    [화학식 1-4]
    Figure 112013052839599-pat00053

    [화학식 1-5]
    Figure 112013052839599-pat00054

    [화학식 1-6]
    Figure 112013052839599-pat00055

    [화학식 1-7]
    Figure 112013052839599-pat00056

    [화학식 1-8]
    Figure 112013052839599-pat00057

    [화학식 1-9]
    Figure 112013052839599-pat00058

    [화학식 1-10]
    Figure 112013052839599-pat00059

    [화학식 1-11]
    Figure 112013052839599-pat00060

    [화학식 1-12]
    Figure 112013052839599-pat00061

    [화학식 1-13]
    Figure 112013052839599-pat00062

    [화학식 1-14]
    Figure 112013052839599-pat00063

    [화학식 1-15]
    Figure 112013052839599-pat00064

    [화학식 1-16]
    Figure 112013052839599-pat00065

    화학식 1-1 내지 1-16에 있어서,
    m은 청구항 1에서 정의한 바와 동일하다.
  9. 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하고,
    상기 유기물층 중 1층 이상은 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 축합고리 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기물층은 정공수송층, 정공주입층 또는 정공수송과 정공주입을 동시에 하는 층을 포함하고,
    상기 정공수송층, 정공주입층 또는 정공수송과 정공주입을 동시에 하는 층은 상기 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기물층은 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입과 전자수송을 동시에 하는 층을 포함하고,
    상기 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입과 전자수송을 동시에 하는 층은 상기 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기물층은 광활성층을 포함하고,
    상기 광활성층은 상기 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기물층은 광활성층을 포함하고,
    상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하고,
    상기 전자 받개 물질은 상기 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 유기 태양 전지는 상기 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 벌크 헤테로 정션 접합형인 것인 유기 태양 전지.
  15. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 상부에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극의 상부에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 1층 이상의 유기물층은 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 축합고리 화합물을 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법.
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