KR101666353B1 - 중간 밴드갭을 가지는 공액 고분자, 이의 제조방법 및 이를 적용한 유기 전자 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율 유기 전자 소자를 위한 신규의 중간 밴드갭(Band-gap)을 가지는 공액(conjugated) 고분자, 이의 제조방법 및 이를 적용한 고효율 유기 전자 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는 알콕시 치환기를 가진 벤조티아디아졸 및 전자친화도가 높은 치환기를 가진 페닐렌 비스사이오펜을 중합하여 중간 밴드갭(Band-gap)을 가지는 공액 고분자 및 이를 적용한 유기전자 소자에 관한 것이다. 본 발명의 공액 고분자를 통해 650 ㎚ 내지 700 ㎚ 이하 영역의 태양광을 선택적이면서 또한 효율적으로 흡수하며 충밀계수(FF) 및 개방회로 전압을 개선하여, 광전 변환 효율이 높으며 P3HT를 대신하여 사용될 수 있는 유기 전자 소자를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 고효율 유기 전자 소자를 위한 신규의 중간 밴드갭(Band-gap)을 가지는 공액(conjugated) 고분자, 상기 공액 고분자의 제조방법 및 이를 적용한 고효율 유기 전자 소자에 관한 것이다.
최근 10여 년간 반도체 성질을 띄는 유기 소재의 개발과 이를 이용한 다양한 응용 연구 또한 어느 때보다 활발히 진행되어 왔다. 전자파 차폐막, 캐패시터, OLED 디스플레이, 유기 박막 트랜지스터(organic thin film transistor; OTFT), 태양 전지, 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자 등 유기 반도체를 이용한 응용 연구의 영역은 계속해서 확장되고 있다. 이 중, 특히 태양전지 영역은 최근 활발히 연구되고 있는 신재생에너지 기술 중 깨끗하고 안전한 에너지의 무한 생산을 가능하게 하는 점에서 큰 주목을 받고 있다.
태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 전형적인 태양전지는 무기반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자(electron)와 정공(hole)은 p-n 접합점까지 확산되고 그 전계에 의하여 가속되어 전극으로 이동한다. 이 과정의 전력변환 효율은 외부 회로에 주어지는 전력과 태양전지에 들어간 태양전력의 비로 정의되며, 현재 표준화된 가상 태양 조사 조건으로 측정 시 24% 정도까지 달성되었다. 종래의 무기 태양전지는 높은 생산원가 및 재료상의 수급 면에서 그 한계를 보이고 있어, 태양전지의 가공편의성을 높이며 생산원가를 낮출 수 있는 기술의 개발이 진행되었으며, 그 결과 저원가의 풍부한 유기재료를 이용한 유기태양전지 기술이 새로운 대안으로 주목을 받게 되었다.
유기 태양전지의 가능성이 처음 제시되었던 것은 1970년대이지만 효율이 너무 낮아 실용성이 없었다. 그러나 1986년 미국 이스트만 코닥(Eastman Kodak)사의 탕(C.W. Tang) 박사 연구팀이 p-형 유기 반도체인 프탈로시아닌 구리(copper phthalocyanine, CuPc)와 n-형 유기 반도체인 페릴렌 테트라카복실산(perylene tetracarboxylic acid) 유도체에 기반한 이종 접합형(bilayer heterojuction) 유기 태양전지를 제작하여 약 1%의 효율을 발표하면서 실용화 가능성을 보이자, 유기 태양전지에 대한 관심과 연구가 급속도로 증가하며 많은 발전을 가져왔다. 이후 용해도가 향상된 플러렌(fullerene) 유도체가 n 형 반도체 물질로 개발되면서 유기 태양전지의 효율 면에서 획기적인 발전이 있었다. 특히 고분자 태양전지의 경우 최근 3∼4 년 사이에 새로운 소자 구성 및 공정 조건의 변화 등으로 효율의 향상이 두드러지고 있으며, 기존의 물질을 대체하기 위해 낮은 밴드갭(Band-gap)을 지니는 전자 공여체(donor) 물질과 전하 이동도가 좋은 새로운 전자 수용체(acceptor) 물질들의 개발이 지속적으로 연구되고 있다.
최근 일반적으로 유기 태양전지는 아래층(bottom cell)과 윗층(top cell)로 구분된 적층형 구조를 띄고 있다. 주로 아래층에는 300 내지 600㎚의 흡수를 나타내는 전자 공여체 및 전자 수용체 재료를 이용하며, 윗층에는 600 내지 1000㎚에 이르는 전자 공여체 및 전자 수용체 재료를 이용한다. 대부분의 연구 진행 경과는, 아래층에 P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)):ICBA(Indene-C60 bisadduct)를 이용하며 윗층에 낮은 밴드갭을 가지는 신규 재료를 합성하여 이를 이용한 유기 태양전지가 보고되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2010-0088050호에서는 플러렌에 사이클로헥산(cyclohexane)이 도입된 구조에 방향족 고리 화합물 또는 헤테로 방향족 고리 화합물이 융합된 화합물의 유기 반도체 물질과 이를 포함하는 유기 태양전지 소자를 개시하고 있다. 또한 대한민국 공개특허공보 제2014-0099424호에서는 전자 풍부 단량체와 전자 부족 단량체로 이루어진 ICT(분자 내 전하 이동, Intramolecular Charge Transfer) 타입의 고분자 중합체를 합성하여 높은 정공 이동도 및 광전 변환 효율(Power conversion efficiency, 이하 PCE)을 나타내는 유기 박막 태양전지를 위한 신규의 고분자 재료를 개시하고 있다. 상기 선행기술이 개시하는 화합물 및 고분자는 41 내지 60%의 충밀계수(Fill factor, 이하 FF) 및 550 내지 800mV의 개방회로 전압(Voc)을 나타내고 있으나 개선효과의 정도가 미미하며, 그에 따라 광전 변환 효율(PCE)을 현저하게 개선시키지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 중간 밴드갭(Band-gap)을 가져 넓은 영역의 태양광을 효율적으로 흡수할 수 있으며 충밀계수(FF) 및 개방회로 전압을 개선하여, 광전 변환 효율이 높으며 P3HT를 대신하여 사용될 수 있는 신규한 공액 고분자, 상기 공액 고분자의 제조방법 및 이를 적용한 유기 전자 소자를 제공하고자 하였다.
본 발명은 하기 하학식 1로 표시되는 공액 고분자에 관한 것이다.
[화학식 1]
(상기 n은 2 내지 2000의 정수이고; R1 및 R2는 서로 독립적으로 선형 또는 분지형의 알킬기이며; X1, X2, X3 및 X4는 서로 독립적으로 H, F, Cl 또는 CN이다.)
본 발명에서 상기 화학식 1의 X1, X2, X3 및 X4는 서로 독립적으로 H 또는 F+일 수 있으며, 상기 화학식 1의 R1 및 R2는 서로 독립적으로 C8 내지 C30의 분지형 알킬기일 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 화학식 1의 X1, X2, X3 및 X4에서 선택되는 어느 하나 또는 둘은 F 이고, 나머지는 H일 수 있다.
본 발명은 하기 화학식 2 및 화학식 3의 화합물을 중합하여 상기 화학식 1로 표시되는 공액 고분자를 제조하는 공액 고분자의 제조방법에 관한 것이다.
[화학식 2] [화학식 3]
(상기 R' 및 Y는 서로 반응하여 직접결합을 형성하는 치환기이다.)
본 발명에서 상기 화학식 2의 R' 은 트리알킬주석 치환기이며 상기 화학식 3의 Y는 할로겐 치환기일 수 있다.
본 발명에서 상기 화학식 2의 R' 은 트리메틸주석이며 상기 화학식 3의 Y는 Br 또는 I에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에서 상기 중합은 팔라듐계 촉매 하에 중합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 상기 공액 고분자를 포함하는 유기 전자 소자를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 유기 전자 소자는 유기 발광소자, 유기 태양전지, 유기 트랜지스터, 유기 감광체 드럼 및 유기 메모리소자로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명은 기판, 제 1전극층, 버퍼층, 광전변환층, 유기 박막층 및 제 2전극층을 포함하는 유기 태양전지로서, 상기 유기 박막층 중 적어도 어느 한 층은 상기 공액 고분자를 포함하는 유기 태양전지를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 유기 박막층은 광전변환층 내에 포함될 수 있다.
본 발명의 공액 고분자는 중간 밴드갭을 가짐으로써 높은 개방전압 및 높은 충밀계수(FF)을 나타내어 유기 태양전지에서 광전변환층(광활성층)으로 사용될 수 있는 유기 반도체의 조건을 가지고, 유기용매에 대한 높은 용해도를 가져 유기 전자 소자의 제조과정을 간소화 할 수 있으며 일반적으로 사용하고 있는 P3HT보다 높은 성능을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1에 따른 클로로포름 용액 중의 공액 고분자들의 UV-vis 스펙트럼 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1에 따른 필름형태의 공액 고분자들의 UV-vis 스펙트럼 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1에 따라 제작한 유기 태양전지의 전류밀도-전압(J-V)특성치를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1에 따라 제작한 유기 태양전지의 외부양자효율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1에 따른 필름형태의 공액 고분자들의 UV-vis 스펙트럼 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1에 따라 제작한 유기 태양전지의 전류밀도-전압(J-V)특성치를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1에 따라 제작한 유기 태양전지의 외부양자효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 높은 광전 변환 효율을 나타내는 고효율의 유기 전자 소자를 위한 중간 밴드갭(Band-gap)을 가지는 공액 고분자에 관한 것으로, 하기 화학식 1로 표시되는 공액 고분자에 대한 것이다.
[화학식 1]
이 때, 상기 n은 2 내지 2000의 정수 이고; R1 및 R2는 서로 독립적으로 선형 또는 분지형의 알킬기이며; X1, X2, X3 및 X4는 서로 독립적으로 H, F, Cl 또는 CN일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 화학식 1의 X1, X2, X3 및 X4는 서로 독립적으로 H 또는 F일 수 있으며, 상기 화학식 1의 R1 및 R2는 서로 독립적으로 C8 내지 C30의 분지형 알킬기일 수 있고, 더욱 바람직하게는 본 발명에서 상기 화학식 1의 X1, X2, X3 및 X4에서 선택되는 어느 하나 또는 둘은 F 이고, 나머지는 H일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
본 발명은 하기 화학식 2 및 화학식 3의 화합물을 중합하여 상기 화학식 1로 표시되는 공액 고분자를 제조하는 공액 고분자의 제조방법을 포함한다.
본 발명의 상기 화학식 1에 해당하는 공액 고분자는 하기 화학식 2 및 화학식 3을 중합하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
[화학식 2] [화학식 3]
이 때, 상기 R' 및 Y는 서로 반응하여 직접결합을 형성하는 치환기일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 R' 은 트리알킬주석 치환기이고, 상기 Y는 할로겐 치환기일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 R' 은 트리메틸주석이며, 상기 Y는 Br 또는 I 등에서 선택되는 어느 하나일 수 있지만 이에 제한하는 것은 아니다.
이러한 본 발명의 공액 고분자는, 전자 공여체로서 화학식 2로 표시되는 페닐렌 비스티오펜(Phenylene bisthiophene)을 포함하며, 특히 상기 화학식 2의 페닐렌 비스티오펜에 -F, -Cl 또는 -CN을 1 내지 4개를 도입함으로써 전자 친화성을 높여 전자 간 상호작용에 의한 비틀림 각도를 감소시켜 고분자의 평면성을 유지하고, 분자 간 패킹특성을 향상시켜 고분자 주쇄간 정공전달을 원활하게 할 수 있다. 상기 화학식 2에 -F, -Cl 또는 -CN를 도입함으로써 강해진 분자 간 상호작용으로 인해 상기 본 발명의 공액 고분자는 흡수할 수 있는 태양광 스펙트럼의 파장범위가 넓어질 수 있으며, 원활한 정공전달을 통하여 전하 이동도가 향상될 수 있고 이에 따라 광전 변환 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 화학식 2와 함께 화학식 3으로 표시되는 벤조티아디아졸(Benzothiadiazole)을 포함함으로서 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위를 낮추고, 이를 통해 밴드갭(Band-gap)을 낮춤으로써 높은 전하 이동도, 높은 광안정성 및 높은 개방회로전압(Voc)을 가질 수 있어 광전 변환 효율이 향상될 수 있다.
유기 태양전지에 있어 적절한 물성 구현을 통해 우수한 광전 변환 효율을 나타내기 위하여 높은 분자량의 공액 고분자가 사용되는 것이 바람직하지만, 상기 공액 고분자의 분자량이 커짐에 따라 고분자의 용해도가 저해되어 균일한 박막의 형성 및 제조가 어렵게 된다. 본 발명에서는 상기 화학식 3으로 표시되는 벤조티아디아졸에 알콕시기를 도입함으로써, 공액 고분자의 높은 분자량을 달성함과 동시에 용해도 개선을 가능하게 하여, 균일한 박막의 형성을 용이하게 할 수 있는데, 이때 분지형 알콕시 치환기를 도입하면 선형 알콕시기에 비하여 용해도가 더욱 상승하고, 개방전압을 높여주게 되며, 그에 따라 우수한 광전 변환 효율(PCE)을 나타내는 것을 가능하게 한다.
이러한 상기 본 발명의 공액 고분자는 상기 화학식 2의 화합물 및 화학식 3의 화합물이 교차 반복 도입되는 공액 고분자로서, X--S 및 X--O의 비공유결합성 상호작용은 비틀림 각도를 감소시켜 고분자 백본의 평면성 유지를 가능하게 하며, 분자 간 패킹 특성을 향상시켜 전하 이동도 향상에 기여를 할 수 있다.
본 발명의 상기 중합은 염소계 유기용매에서 팔라듐계 촉매 하에 중합하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 때, 상기 염소계 유기용매는 클로로메탄, 메틸렌클로라이드, 클로로포름, 카본테트라클로라이드, 1,1-디클로로에탄, 1,2-디클로로에탄, 에틸클로라이드, 트리클로로에탄, 1-클로로프로판, 2-클로로프로판으로 사용하는 염소계 유기용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 클로로벤젠을 사용하는 것이 좋으나 이에 제한하는 것은 아니다. 또한, 상기 팔라듐계 촉매는 팔라듐아세테이트(Pd(Ⅱ)acetate, Pd(OAc)2), 염화팔라듐(PdCl2) 및 테트라키스 트리페닐포스핀팔라듐(Tetrakis(triphenyl phosphine)palladium, Pd(PPh3)4) 등과 같은 통상적으로 사용하는 팔라듐계 촉매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 트리디벤질리덴아세톤 디팔라듐(Pd2(dba)3) 을 사용하는 것이 좋으나 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 중합하는 과정에서, 상기 팔라듐계 촉매를 사용할 때 트리(o-토릴)포스핀(Tri(o-tolyl)phosphine, P(o-Tol)3) 등의 포스핀 리간드(Phosphine ligand)를 함께 사용할 수 있으며, 상기 포스핀 리간드는 전자적으로 팔라듐을 안정화하여 반응활성을 가진 팔라듐 화합물의 재생성을 도와 팔라듐 촉매반응 사이클(cycle)이 유지될 수 있도록 보완해주는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 상기 공액 고분자는 유기용매에 용해시킨 후 기판에 도포시키는 용액공정에 의해 막을 형성하여 유기 전자 소자로 사용될 수 있으며, 상세하게는 스핀코팅법, 슬롯다이코팅법, 잉크젯 프린팅법, 스크린 인쇄법 및 닥터 블레이드법 등에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 도포 및 코팅되어 막을 형성할 수 있으나 이에 제한하는 것은 아니다.
본 발명은 상기 공액 고분자를 포함하는 유기 전자 소자를 포함할 수 있으며, 또한 상기 공액 고분자의 제조방법으로부터 제조되는 유기 전자 소자를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 유기 전자 소자는 유기 발광소자(OLED, Organic Light Emitting Diode), 유기 태양전지(OSC, Organic Solar Cell), 유기 트랜지스터(OTFT, Organic Thin-Film Transistor), 유기 감광체 드럼(OPD, Optical Photo Detector) 및 유기 메모리소자 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 유기 전자 소자는 당업자가 인지할 수 있는 통상적인 유기 전자 소자라면 모두 가능하며, 상기 공액 고분자는 상기 유기 전자 소자에 포함된 다른 다양한 전자 공여체와의 조합을 통해 유기 전자 소자의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명은 기판, 제 1전극층, 버퍼층, 광전변환층, 유기 박막층 및 제 2전극층을 포함하는 유기 태양전지로서, 상기 유기 박막층 중 적어도 어느 한 층은 상기 공액 고분자를 포함하는 유기 태양전지를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 유기 박막층은 유기 태양전지의 광전변환층 내에 포함될 수 있다.
본 발명의 유기 태양전지에 사용되는 기판의 소재로는 투명 물질이 바람직하며, 그 예로는 PET(Polyethylene terephthalate), PP(Polypropylene), PI(Polyimide), PEN(Polyethylene naphthalate) 및 TAC(Triacetyl cellulose) 등의 플라스틱 또는 유리이고, 제 1전극층은 상기 기판의 일면에 스핀코팅 또는 스퍼터링 등의 방법을 사용하여 투명물질을 도포하거나 필름 형태로 코팅하여 형성시킬 수 있다. 제 1 전극층은 높은 일함수를 가지며 투명성 및 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 바람직한 예로는 ITO(Indium-tin oxide), ZnO/Ga2O3, ZnO/Al2O3, SnO2 및 FTO(Fluorine-doped tin oxide) 등이 사용될 수 있고, 또한 투명기판으로 Ag nanowire, Ag mesh 등의 금속이 도입된 투명 전도성기판을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 ITO를 사용하는 것이 좋다.
상기 제 1전극층의 상부로 형성되는 버퍼층은 폴리스티렌설포네이트(PSS)로 도핑된 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)[PEDOT/PSS]를 사용하여 전극과 광전변환층 사이의 전하 수명 및 정공이동도를 향상시킬 수 있으며, 이 때 일함수가 낮은 제 2전극층을 사용하여 전자가 제 2전극층으로 빠지는 정구조의 태양전지를 구성할 수 있다. 이 때, 버퍼층의 제조방법은 스핀코팅 등의 방법을 통하여 도입될 수 있다.
반대로, 제 1전극층 상부에 산화아연(ZnO) 등의 낮은 일함수를 가지는 버퍼층을 사용하며 일함수가 높은 제 2전극층을 사용할 경우, 전자가 제 1전극으로 빠지는 역구조의 태양전지를 구성할 수 있다.
한편, 상기 버퍼층의 상부에는 광전변환층이 적층될 수 있다. 상기 광전변환층은 전자 공여체(donor) 및 전자 수용체(acceptor)의 접합구조로 이루어지며, 전자 공여체 및 전자 수용체 사이의 빠른 전하 이동현상을 통해 광기전력효과(광전변환효과)를 제공한다.
이 때, 상기 광전변환층은 본 발명의 상기 공액 고분자를 전자 공여체로 사용할 수 있으며, PC71BM를 전자 수용체로 사용할 수 있다. 또한, 상기 광전변환층의 광전변환 물질은 상기 공액 고분자 100 중량부에 대하여 PC71BM 50 내지 600 중량부로 배합되는 것이 바람직하다. 이 때, 발명의 목적을 달성하는 한에서는 특별히 제한되지는 않으나, 상기 공액 고분자 함량 대비 PC71BM의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, PC71BM의 전자 수용 작용이 활발하게 일어나 생성된 전자의 이동성이 매우 좋으며 상기 공액 고분자의 광 흡수가 효율적으로 이루어지게 되어 좋다. 상기 전자수용체는 PC61BM 등의 풀러렌 기반의 억셉터 소재 및 기타 LUMO 준위가 도너 고분자소재에 비하여 깊은 비-풀러렌 기반의 단분자 혹은 고분자가 사용될 수 있다.
본 발명의 상기 공액 고분자와 PC71BM를 배합하여 제조하는 광전변환 물질은 단일 유기용매 또는 비점이 상이한 2종 이상의 유기용매에 용해시켜 용액을 제조할 수 있다. 사용되는 유기용매로는 클로로포름, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 트리메틸벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 용매와 1,8-디이오도옥탄, 1-클로로벤젠, 디페닐에테르로 이루어진 군에서 선택되어지는 용매를 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 상기 용매에 상기 광전변환 물질의 고형분 함량은 1.0 내지 3.0 wt%로 함유되도록 제조하는 것이 바람직하다. 이 때, 발명의 목적을 달성하는 한에서는 특별히 제한되지는 않으나, 상기 범위를 만족할 경우, 상기 공액 고분자 및 PC71BM가 효과적으로 용해되어 용매 상에서 용해된 형태의 광전변환 물질을 효과적으로 제조할 수 있으며, 상기 광전변환 물질이 코팅되어 막을 형성할 경우 적절한 두께의 박막을 형성할 수 있어 좋다.
이 후, 상기 광전변환 물질이 용해된 용액을 스핀코팅법, 슬롯다이코팅법, 스크린 인쇄법, 잉크젯 프린팅법 및 닥터 블레이드법 등에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 도포 또는 코팅하여 30 내지 800 ㎚, 바람직하게는 80 내지 400 ㎚ 두께의 광전변환층을 제조할 수 있다.
제2전극층은 광전변환층이 도입된 상태에서 약 10-7 torr이하의 진공도에서 알루미늄 등의 낮은 일함수를 가지는 금속 물질을 80 내지 200 ㎚로 진공 열 증착하여 광전변환층의 상부에 적층될 수 있다. 제2전극으로 사용될 수 있는 물질로는, 구체적으로 금, 알루미늄, 구리, 은 또는 그들의 합금, 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 등을 포함하며, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄/칼슘 합금을 사용할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 공액 고분자를 분석한 결과 낮은 HOMO 에너지를 가지며 개방회로전압 및 충밀계수가 우수하여 높은 에너지 변환 효율을 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니며, 다양한 다른 변형 및 변경이 가능할 수 있다.
이하 물성은 하기의 방법으로 측정하였다.
실험 1) NMR 분광분석
1H NMR 및 13C NMR 분광분석은 Bruker AM-300, AM-400 또는 AM-500 스펙트로미터를 이용하여 측정하였다.
실험 2) 분자량 측정
고분자의 분자량은 폴리스티렌 표준으로 사용한 겔투과 크로마토그래피(GPC)을 이용하여 측정하였다.
실험 3) 광학특성 평가
UV-vis 흡수 스펙트럼은 Shimadzu UV-2550모델을 이용하여 측정하였다.
UV-vis 흡수 스펙트럼의 용액상태는 고분자를 클로로포름 중 녹인 용액을 측정하고, 필름상태는 고분자를 클로로포름 용액에 녹여 석영위에 스핀 코팅한 필름을 측정하였다.
실험 4) 광전특성 평가
광전소자를 p-형 전자 도너로써 상기 실시예 및 비교예들로부터 얻어진 고분자를 사용하고, n-형 전자 수용체로써 PC71BM(EM index사)을 사용하여 제작하였다. 고분자와 PC71BM은 1 : 1.5 중량비로 클로로벤젠과 1,8-디이오도옥탄의 혼합용매에 용해시켜 사용하였다. ITO/PEDOT:PSS/Polymer+PC71BM(1:1.5 중량비)/Ca/Al 소자 구조로 광전소자를 제작하고 특징을 분석하였다.
[실시예 1] 4,7-Dibromo-5,6-di(2-butyloxtoxy)benzo-1,2,5-thiadiazole (이하 P1) 제조
알곤 분위기의 플라스크에 50 ml의 무수 디메틸포름아미드(DMF,dimethylformamide)에 3.2g (17.4 mmol)의 2-뷰틸옥탄올(2-Butyloctanol)을 넣고 0 ℃로 온도를 낮춘다. 60%의 수소화나트륨(NaH) 0.7g (17.4 mmol)을 넣고 1시간 교반해준 이후, 5,6-Difluorobenzo[c][1,2,5]thiadiazole 1.0g (5.8 mmol)을 넣고 온도를 서서히 상온으로 올려 12시간동안 교반하여준다. 반응 용액을 100 ml의 물을 넣어 반응을 종결시키고, 디에틸에테르를 넣고 추출한다. 유기층을 무수 MgSO4로 탈수시킨 후 회전농축기(Rotary evaporation)를 사용하여 용매를 제거한다. 디클로로메탄:헥산=1:3 용매를 이동상으로 사용한 컬럼크로마토그래피를 통하여 순수한 5,6-Bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole을 2.7g 얻었다. (수율 92%).
1H NMR (300 MHz, CDCl3):δ(ppm) 7.11(2H,s); 3.94(4H,d,J=5.4Hz); 1.88(2H,m); 1.27(32H,m); 0.88(12H,m). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3): δ(ppm) 154.56; 151.44; 98.03; 71.51; 37.83; 31.88; 31.40; 31.08; 29.73; 29.10; 26.89; 23.06; 22.70; 14.10. MS (EI): Calcd m/z 504.4; found M+504.
상기 5,6-Bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole을 2.7g (5.3 mmol)이 녹아있는 디클로로메탄:초산 (40 ml: 20 ml) 용액에 브롬 0.8 ml (15.9 mmol)을 상온에서 첨가한 후, 빛이 들어가지 않는 조건에서 18시간 교반하였다. Sodium sulfite 용액을 넣어 반응을 종결한 이후 디에틸에테르 50 ml로 3회 추출하고, 무수 황산마그네슘(magnesium sulfate)으로 수분을 제거한 이후 회전증발기를 사용하여 용매를 제거하였다. 디클로로메탄:헥산=1:3 용매를 이동상으로 사용한 컬럼크로마토그래피를 통하여 순수한 4,7-Dibromo-5,6-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole 3.1 g을 88%의 수율로 얻었다.
1 H NMR (400 MHz, CDCl3): δ(ppm) 4.02(4H, d, J=6.2Hz); 1.92(2H, m); 1.58(4H, m); 1.33(28H, m); 0.89(6H, m). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3): δ(ppm) 154.84; 150.39; 106.01; 78.44; 39.20; 31.91; 31.08; 30.77; 29.77; 29.11; 26.88; 23.13; 22.70; 14.13. MS (EI): Calcd m/z 662.2; found M+662.
[실시예 2] 4,7-Dibromo-5,6-di(2-hexyldecoxy)benzo-1,2,5-thiadiazole (이하 P2) 제조
상기 실시예 1에서 2-뷰틸옥탄올(2-Butyloctanol) 대신 2-헥실데칸올(2-Hexyldecanol)을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 4,7-Dibromo-5,6-di(2-hexyldecoxy)benzo-1,2,5-thiadiazole (이하 P2)을 얻었다.
(2단계 수득률 = 81 %) 1 H NMR (400 MHz, CDCl3): δ(ppm) 4.02(4H, d, J=6.1Hz); 1.92(2H,m); 1.56(4H, m); 1.30(44H, m); 0.89(12H, m). 13 CNMR (100 MHz, CDCl3): δ(ppm) 154.84; 150.39; 106.01; 78.43; 39.22; 31.94; 1.09; 30.12; 29.79; 29.68; 29.39; 26.92; 26.89; 22.71; 14.13. MS (EI): Calcd m/z 774.3; found (M+1)+775.
[실시예 3] 4,7-dibromo-5,6-bis((2-octyldodecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P3) 제조
상기 실시예 1에서 2-뷰틸옥탄올(2-Butyloctanol) 대신 2-옥틸도데칸올(2-Octyldodecanol)을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 4,7-dibromo-5,6-bis((2-octyldodecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P3)을 얻었다.
(2단계 수득률 = 86 %) 1 H NMR (300 MHz, CDCl3): δ(ppm) 4.02(4H, d, J=6.1Hz); 1.92(2H,m); 1.56(4H, m); 1.27(60H ,m); 0.88(12H, m). 13 CNMR (125 MHz, CDCl3): δ(ppm) 154.79; 150.34; 105.99; 78.37; 39.16; 31.92; 31.02; 30.10; 29.72; 29.70; 29.67; 29.38; 26.88; 22.69; 14.12. MS (EI): Calcd m/z 886.4; found (M+1)+887.
[실시예 4] 4,7-dibromo-5,6-bis((3-hexylundecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P4) 제조
상기 실시예 1에서 2-뷰틸옥탄올(2-Butyloctanol) 대신 3-헥실운데칸-1-올(3-hexylundecan-1-ol )을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 4,7-dibromo-5,6-bis((3-hexylundecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P4)을 얻었다. (2단계 수득률 = 88 %).
1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 4.18 (4H, t, J= 7.09 Hz); 1.86 (4H, q); 1.55 (2H, m); 1.34-1.24 (48H, m); 0.87 (12H, m). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ):δ (ppm) 154.59; 150.39; 106.24; 73.65; 34.46; 34.19; 33.70; 31.93; 30.12; 29.77; 29.69; 29.38; 26.57; 26.54; 22.70; 14.12.MS (EI): Calculated m/z 802.88; found M+802.
[실시예 5] 4,7-dibromo-5,6-bis((3-octyltridecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P5) 제조
상기 실시예 1에서 2-뷰틸옥탄올(2-Butyloctanol) 대신 3-옥틸트리데칸-1-올(3-octyltridecan-1-ol)을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 4,7-dibromo-5,6-bis((3-octyltridecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P5)을 얻었다.
(2단계 수득률 = 75 %). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ):δ (ppm) 4.18 (4H, t, J= 7.10 Hz); 1.86 (4H, q); 1.6 (2H, m); 1.34-1.24 (64H, m); 0.87 (12H, m). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 154.59; 150.39; 106.24; 73.65; 34.46; 34.20; 33.70; 31.94; 30.12; 29.74; 29.69; 29.58; 26.57; 26.57; 22.70; 14.13. MS (EI): Calcd m/z 915.20; found M+915.
[실시예 6] 4,7-dibromo-5,6-bis((3-decyltridecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P6) 제조
상기 실시예 1에서 2-뷰틸옥탄올(2-Butyloctanol) 대신 3-데실트리데칸-1-올(3-decyltridecan-1-ol)을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 4,7-dibromo-5,6-bis((3-decyltridecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P6)을 얻었다.
(2단계 수득률 = 86 %). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 4.18 (4H, t, J= 7.02 Hz); 1.85 (4H, q); 1.6 (2H, m); 1.34-1.24 (72H, m); 0.87 (12H, m). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 154.59; 150.39; 106.25; 73.65; 34.46; 34.20; 33.71; 31.95; 30.13; 29.74; 29.69; 29.39; 26.57; 26.59; 22.70; 14.12. MS (EI): Calcd m/z 971.20; found M+971.
[실시예 7] 4,7-dibromo-5,6-bis((3-octylundecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P7) 제조
상기 실시예 1에서 2-뷰틸옥탄올(2-Butyloctanol) 대신 3-옥틸운데칸-1-올(3-octylundecan-1-ol)을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 4,7-dibromo-5,6-bis((3-octylundecyl)oxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (이하 P6)을 얻었다.
(2단계 수득률 = 40 %). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ):δ (ppm) 4.18 (4H, t, J= 7.10 Hz); 1.87 (4H, q); 1.6 (2H, m); 1.34-1.24 (56H, m); 0.87 (12H, m). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 154.59; 150.39; 106.24; 73.65; 34.46; 34.20; 33.70; 31.94; 30.12; 29.69; 29.39; 26.58; 22.70; 14.13. MS (EI): Calcd m/z 858.99; found M+858.
[실시예 8] 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)benzene (이하 0F) 제조
1,4-Dibromobenzene 3g (12.7 mol) 및 2-(tributylstannyl)thiophene 12.3g (33.0 mol)이 들어있는 플라스크에 THF(tetrahydrofuran) 100 ml와 팔라듐계 촉매 Pd(Ph3)4 730 mg을 넣고 알곤으로 10분 이상 퍼지한 이후 반응용액을 90℃로 온도를 상승하여 24시간동안 교반하여 준다. 반응 용액을 상온으로 식힌 후, 용매를 제거하고 short pass 실리카 컬럼으로 이동상을 헥산과 디클로로메틴으로 통과시켜준다. 통과된 용액을 용매제거 후 디클로로메탄과 헥산용매를 사용하여 제결정하여 2.26 g (수율 79%)의 1,4-bis(thiophen-2-yl)benzene을 얻었다.
1 H NMR (400 MHz, CDCl3):δ(ppm)7.61(4H,s);7.33(2H,d,J=3.3Hz);7.28(2H,d,J=5.0Hz);7.08(2H,t,J=4.2Hz).MS (EI): Calcd m/z 242.0; found M+242.
상기 1,4-bis(thiophen-2-yl)benzene 1.0 g (4.13 mmol)을 100 ml의 무수 THF에 녹인 후, 반응 용액의 온도를 -78 ℃로 낮춘다. 1.6 M BuLi 용액 6.5 ml (10.3 mmol)을 10분동안 천천히 적가한 후 같은 온도에서 1시간 교반한다. THF에 녹아있는 1 M trimethyltin chloride 용액 10.3 ml (10.3 mmol)을 빠르게 주입한 후, 반응 용액을 천천히 온도를 상온으로 올려주며 18시간동안 교반한다. 반응 용액에 50 ml의 냉수를 첨가하여 반응을 종결하고, 디클로메탄으로 3회 추출한다. 유기층을 2회 증류수로 씻어준 후, 무수 MgSO4로 탈수 시킨다. 용매를 제거한 이후 헥산 용매를 사용하여 2회 재결정하여 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)benzene 1.75 g(수율 75%)을 얻었다.
1 H NMR (300 MHz, CDCl3): δ(ppm) 7.62(4H, s); 7.45(2H, d, J=3.4Hz); 7.18(2H, d, J=3.4Hz); 0.41(18H, t, J=28.2Hz). MS (EI): Calcd m/z 568.0; found M+568.
[실시예 9] 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2-fluorobenzene (이하 1F) 제조
상기 실시예 8에서 1,4-Dibromobenzene 대신 1,4-Dibromo-2-fluorobenzene을 사용하였으며, 1,4-bis(thiophen-2-yl)-2-fluorobenzene는 메탄올 용매를 사용하여 재결정 하였고, 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2-fluorobenzene 는 에탄올 용매를 사용하여 재결정한 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2-fluorobenzene (이하 1F)을 2 단계 수율 45%로 얻었다.
1 H NMR (300 MHz, CDCl3): δ(ppm) 7.61(2H, m); 7.40(3H, m); 7.20(2H, m); 0.40(18H, t, J=28.2Hz). MS (EI): Calcd m/z 586.0; found M+586.
[실시예 10] 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2,5-difluorobenzene (이하 2F) 제조
상기 실시예 8에서 1,4-Dibromobenzene 대신 1,4-dibromo-2,5-difluorobenzene 을 사용하였으며, 1,4-bis(thiophen-2-yl)-2,5-difluorobenzene 및 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2,5-difluorobenzene를 헥산 용매를 사용하여 재결정한 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2,5-difluorobenzene (이하 2F)을 2 단계 수율 45%로 얻었다.
1 H NMR (400 MHz, CDCl3):δ(ppm)7.60(2H,d,J=3.5Hz);7.40(2H,t,J=9.2Hz);7.21(2H,d,J=3.5Hz);0.41(18H,t,J=28Hz). MS (EI): Calcd m/z 604.0; found M+604.
[실시예 11] 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2,3,5,6-tetrafluorobenzene (이하 4F) 제조
상기 실시예 8에서 1,4-Dibromobenzene 대신 1,4-dibromo-2,5-difluorobenzene 을 사용하였으며, 1,4-bis(thiophen-2-yl)-2,3,5,6-tetrafluorobenzene 및 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2,3,5,6-tetrafluorobenzene 를 에탄올 용매를 사용하여 재결정한 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 1,4-bis(5-(trimethylstannyl)thiophen-2-yl)-2,3,5,6-tetrafluorobenzene (이하 4F)을 2 단계 수율 43%로 얻었다.
1 H NMR (400 MHz, CDCl3): δ(ppm) 7.76(2H, d, J=3.3Hz); 7.27(2H, d, J=3.6Hz); 0.43(18H, t, J=28.2Hz). MS (EI): Calcd m/z 639.9; found M+640.
[실시예 12] P2-0F 고분자의 제조 및 유기태양전지 소자의 제작
(1) P2-0F 고분자의 제조
상기 실시예 2를 통하여 얻은 P2 화합물 155mg (0.20 mmol) 및 상기 실시예 8을 통하여 얻은 0F 화합물 114 mg (0.20 mol)을 팔라듐 촉매로 트리디벤질리덴아세톤 디팔라듐(Pd2(dba)3) 3.7 mg 및 포스핀 리간드로 트리(o-토릴)포스핀(Tri(o-tolyl)phosphine, (P(o-Tol)3)) 4.8 mg을 글로브박스에서 2 ml 마이크로웨이브 반응 튜브에 넣고 마개를 막는다. 주사위를 사용하여 무수 클로로벤젠 1.5 ml를 도입하고, 마이크로웨이브 반응기에서 150℃ 90분 동안 반응을 시킨다. 반응액을 메탄올에 침전 시킨 후 필터를 통하여 침전된 고체를 회수한다. 침전물을 다시 클로로벤젠에 녹인 후 다시 메탄올 용매에 침전시킨다. 생성된 침전물을 Soxhlet thimble에 통과하여 여과한 후 메탄올, 헥산, 클로로폼 용매로 각각 Soxhlet 추출한다. 클로로포름 Soxhlet 추출하고 회수된 고분자를 메탄올에 침전시키고 건조하여 P2-0F 고분자를 얻었다. (수득률 = 78 %, 134 mg)
상기와 같은 방법으로 합성된 고분자를 상기 실험 1) 내지 실험 3)의 방법을 통하여 물성을 측정하고, 그 물성 결과를 하기 표 1 및 도 1 내지 도 2에 도시하였다.
(2) 본 발명의 고분자를 전자 공여체로 사용한 유기태양전지 소자의 제작
또한, 상기의 방법으로 제조된 고분자 P2-0F를 새로운 전자 공여체로 사용하여 제작한 적층형 유기태양전지 소자의 광기전력 특성을 알아보고자 [ITO/PEDOT:PSS/P2-0F:PC 71 BM/Ca/Al]구조의 적층형 유기태양전지소자를 제작하였다.
먼저 ITO(Indium tin oxide) 글라스를 깨끗하게 세척하였다. P2-0F:PC71BM을 1:1.5 중량비로 혼합한 광활성층 소재를 3 부피% 다이오도옥테인(diiodooctane)을 포함하는 클로로포름 용매에 1 wt% 녹인 후 50℃로 24시간 동안 교반하여 광전변환 물질 혼합액을 제조하였다. 질소 하에 상기 광전변환 물질 혼합액을 상기 코팅층인 PEDOT:PSS 층상에 스핀코팅하여 100㎚의 광전변환층을 형성한 후, 진공증착기에 옮긴 후 Ca을 2×10-6 torr에서 0.1 ㎚/s의 속도에서 2 ㎚의 두께로 증착한다. 그 후 바로 같은 압력에서 알루미늄을 0.3 내지 0.5 ㎚/s의 속도로 100㎚의 두께로 증착하여 유기태양전지 소자를 제작하였다. 상기와 같은 방법으로 제조된 필름형태의 유기 태양전지 소자를 상기 실험 3) 및 실험 4)의 방법을 통하여 물성을 측정하고, 그 물성 결과를 물성 결과를 하기 표 2 및 도 3 내지 도 4에 도시하였다.
[실시예 13] P2-1F 고분자의 제조 및 유기태양전지 소자의 제작
상기 실시예 12의 (1)에서 실시예 2를 통하여 얻은 P2 화합물 155mg (0.20 mmol) 및 상기 실시예 9을 통하여 얻은 1F 화합물 117mg (0.20 mmol)을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 P2-1F 고분자를 수득하여 상기 실험 1) 내지 실험 3)의 방법을 통해 물성을 측정하였다. (수득률 = 77 %, 135 mg)
또한 상기 실시예 12의 (2)에서 P2-1F를 새로운 전자 공여체로 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 유기 태양전지 소자를 제조하여, 상기 실험 4)의 방법을 통해 유기 태양전지 소자의 물성을 측정하였다.
[실시예 14] P2-2F 고분자의 제조 및 유기태양전지 소자의 제작
상기 실시예 12의 (1)에서 실시예 2를 통하여 얻은 P2 화합물 155mg (0.20 mmol) 및 상기 실시예 10을 통하여 얻은 2F 화합물 121mg (0.20 mmol)을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 P2-2F 고분자를 수득하여 상기 실험 1) 내지 실험 3)의 방법을 통해 물성을 측정하였다. (수득률 = 81 %, 144 mg)
또한 상기 실시예 12의 (2)에서 P2-1F를 새로운 전자 공여체로 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 유기 태양전지 소자를 제조하여, 상기 실험 4)의 방법을 통해 유기 태양전지 소자의 물성을 측정하였다.
[실시예 15] P2-4F 고분자의 제조 및 유기태양전지 소자의 제작
상기 실시예 12의 (1)에서 실시예 2를 통하여 얻은 P2 화합물 155mg (0.20 mmol) 및 상기 실시예 11을 통하여 얻은 4F 화합물 128mg (0.20 mmol)을 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 P2-4F 고분자를 수득하여 상기 실험 1) 내지 실험 3)의 방법을 통해 물성을 측정하였다. (수득률 = 78 %, 142 mg)
또한 상기 실시예 12의 (2)에서 P2-1F를 새로운 전자 공여체로 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 유기 태양전지 소자를 제조하여, 상기 실험 4)의 방법을 통해 유기 태양전지 소자의 물성을 측정하였다.
[비교예 1]
P3HT 고분자를 이용환 유기태양전지 소자의 제작
P3HT 고분자는 Rieke Metals. Ins. 의 #4002-EE 그레이드를 사용하였고, 무게평균 분자량은 50,000~70,000인 것을 사용하였다.
또한 상기 실시예 12의 (2)에서 P3HT를 전자 공여체로 사용하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 과정으로 유기 태양전지 소자를 제조하여, 상기 실험 4)의 방법을 통해 유기 태양전지 소자의 물성을 측정하였다.
상기 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1의 결과를 표 1 및 표 2, 도 1 내지 도 4에 도시하였다.
Voc : 개방회로전압 [V]
Jsc : 전류밀도 [mA/cm2]
FF : 충밀계수 [%]
PCE : 광전변환효율 [%]
상기 표 2, 하기 도 3 내지 도 4에서 실시예 12 내지 실시예 15 및 비교예 1의 결과를 통하여, 본 발명 공액 고분자의 플루오르 치환기 개수에 따라 고분자의 물성 및 광전특성 효과가 달라지는 결과를 보였다. 하기 도 1 및 도 2의 UV-vis 스펙트럼에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 공액 고분자는 P3HT와 유사하게 600 내지 700 ㎚ 구간에 흡수한계를 가지어 중간 밴드갭을 가지는 것을 확인하였으며, 공액 고분자의 플루오르 치환기의 개수가 많아짐에 따라 광 흡수 영역이 미세하게 조절됨을 확인할 수 있었고, 이를 통해 플루오르 치환기의 함량의 변화를 통하여 흡수하는 파장을 선택할 수 있는 유기 태양전지 소자를 제조할 수 있음을 확인하였다. 더불어 상기 표 2, 도 3 및 도 4의 결과를 통해, 기존 전자 공여체로 사용되던 P3HT에 대비하여 플루오르 치환기를 가지는 실시예 12 내지 실시예 15에 따른 본원 발명의 공액 고분자를 광전변환층으로써 유기 태양전지 소자로 제작하는 경우, 상기 유기 태양전지 소자의 광전효율(PCE)이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있었다. 특히, 플루오르 치환기의 개수가 2개인 실시예 14의 공액 고분자를 광전변환층으로써 포함하는 유기 태양전지 소자의 경우 광전효율 향상 효과가 현저하게 나타나 비교예 1인 P3HT를 포함한 유기 태양전지 소자에 비하여 약 1.8배 높은 광전효율(PCE)을 나타내며, 상기 공액 고분자의 알콕시기에 의해 고분자의 용해도가 향상되어 적절한 두께의 유기 태양전지 소자를 형성할 수 있음을 확인하였다. 또한, 본 발명의 공액 고분자는 같은 영역을 빛을 흡수하는 기존에 전자 공여체로 사용되던 P3HT가 나타내는 광전 특성보다 더욱 향상된 개방회로전압(Voc) 및 충밀계수(FF)를 나타내어, 유기 전자 소자의 재료로 사용될 경우 P3HT가 사용된 유기 태양전지보다 효율 및 안정성이 높은 유기 태양전지를 제공할 수 있음을 쉽게 예상할 수 있으며, 실제로 광전 특성 실험 결과를 통하여 P3HT의 광전변환효율(PCE) 대비 1.5배 내지 2.3배 높은 광전변환효율(PCE)을 가짐을 확인하였다. 이는 고분자에 포함되는 페닐렌 비스티오펜(Phenylene bisthiophene)에 전자 친화도가 높은 플루오르 치환기를 도입함으로써, 분자 간 패킹특성이 향상되어 고분자 주쇄간 정공전달이 원활하게 되는 효과로 인한 것으로 보인다. 이는 향후 다양한 색상이 요구되는 유기태양전지에서 650 ㎚ 내지 700 ㎚ 이하의 빛을 흡수하여 붉은색을 띄는 유기태양전지의 전자공여체로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
이를 통하여 본 발명의 실시예 12 내지 실시예 15에 따른 공액 고분자는 P3HT를 대신하여 고성능의 유기 태양전지 소자를 위한 재료로 사용될 수 있으며, 유기 태양전지 소자뿐만 아니라 P3HT가 사용되는 모든 유기 전자 소자 분야의 재료로 적합함을 확인하였다.
Claims (11)
- 삭제
- 삭제
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- 하기 화학식 2 및 화학식 3의 화합물을 중합하여 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 공액 고분자를 제조하는 공액 고분자의 제조방법.
[화학식 1]
(상기 n은 2 내지 2000의 정수이고; R1 및 R2는 서로 독립적으로 선형 또는 분지형의 알킬기이며; X1, X2, X3 및 X4는 서로 독립적으로 H, F, Cl 또는 CN이다.)
[화학식 2] [화학식 3]
(상기 R' 및 Y는 서로 반응하여 직접결합을 형성하는 치환기이다.)
- 제 4항에 있어서,
상기 화학식 2의 R' 은 트리알킬주석 치환기이며 상기 화학식 3의 Y는 할로겐 치환기인 공액고분자의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 화학식 2의 R' 은 트리메틸주석이며 상기 화학식 3의 Y는 Br 또는 I에서 선택되는 어느 하나인 공액고분자의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 중합은 팔라듐계 촉매 하에 중합하는 것을 특징으로 하는 공액 고분자의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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| WO2016163624A1 (ko) | 2016-10-13 |
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