KR101676904B1 - 공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다.

Description

공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지{COPOLYMER AND ORGANIC SOLAR CELL COMPRISING THE SAME}
본 명세서는 공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
유기 태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 나뉠 수 있다. 전형적인 태양전지는 무기 반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자와 정공은 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. 그러나 종래 무기 태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기물 반도체 태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
태양전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 엑시톤을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다. 전하가 손실되는 원인 중의 하나가 생성된 전자 및 정공이 재결합(recombination)에 의해 소멸하는 것이다. 생성된 전자나 정공이 손실되지 않고 전극에 전달되기 위한 방법으로 다양한 방법이 제시되고 있으나, 대부분 추가 공정이 요구되고 이에 따라 제조 비용이 상승할 수 있다.
US 5331183 US 5454880
본 명세서는 공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 하기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 공중합체를 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112013100430589-pat00001
[화학식 2]
Figure 112013100430589-pat00002
[화학식 3]
Figure 112013100430589-pat00003
화학식 1 내지 3에 있어서,
X1 내지 X7은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되고,
Y1 내지 Y4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR로 이루어진 군에서 선택되며,
R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 용해도를 증가시키는 치환기이고,
R3, R4, R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 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.
본 명세서는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 공중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 공중합체는 유기 태양 전지 유기물층의 재료로서 사용될 수 있고, 이를 포함하는 유기 태양 전지는 개방 전압과 단락 전류의 상승 및/또는 효율 증가 등에서 우수한 특성을 나타낼 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 공중합체는 깊은 HOMO 준위, 작은 밴드갭, 높은 전하 이동도를 가져 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 유기 태양 전지에서 단독 또는 다른 물질과 혼합하여 사용이 가능하고, 효율을 향상시키고, 화합물의 열적 안정성에 의하여 소자의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 공중합체 1의 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 공중합체 1의 전기화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 도이다.
도 4는 제조예 1에서 제조된 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 5 실시예 2에서 제조된 공중합체 2의 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 6 실시예 2에서 제조된 공중합체 2의 전기화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 도이다.
도 7은 제조예 2에서 제조된 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서에 있어서 '단위'란 공중합체의 단량체에 포함되는 반복되는 구조로서, 단량체가 중합에 의하여 공중합체 내에 결합된 구조를 의미한다.
본 명세서에 있어서 '단위를 포함'의 의미는 중합체 내의 주쇄에 포함된다는 의미이다.
본 명세서에 있어서,
Figure 112013100430589-pat00004
는 공중합체의 주쇄에 연결되는 부위 또는 다른 치환기에 연결되는 부위를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 공중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위 및 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 제1 단위는 비치환된
Figure 112013100430589-pat00005
를 포함한다. 이 경우, 제 1단위의 벌크한 구조인
Figure 112013100430589-pat00006
와의 입체 장애(sterice hinderence)를 방지하고, 주쇄의 구조가 틸트(tilt)되는 것을 방지하여, 정공 이동도(Hole mobility)를 증가시킨다.
또한, 전기 화학적 특성 즉, HOMO(highest occupied molecular orbital) 또는 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 값에는 큰 변화가 없으나, 밴드갭이 감소하여, 더욱 많은 양의 빛을 흡수 할 수 있으며, 열적 안정성이 증가할 수 있다. 따라서,
Figure 112013100430589-pat00007
를 포함하는 구조의 공중합체를 포함하는 소자의 경우 필팩터의 향상으로 소자의 효율이 상승되는 효과가 있다.
다만,
Figure 112013100430589-pat00008
를 추가로 포함하는 경우 용해도(solubility)의 감소로 인한, 유기 태양 전지의 제조 시 시간 및/또는 비용적인 문제를 해결하기 위하여, R1 및 R2에 용해도를 증가시키는 치환기를 도입한다.
이 경우,
Figure 112013100430589-pat00009
구조에 용해도를 증가시키는 치환기를 도입하는 경우보다 입체 장애(sterice hinderence)의 형성 및/또는 주쇄 구조의 틸트 현상을 방지하고, 주쇄의 평면성(planarity)이 증가할 수 있다.
상기 X는 화학식 1에서 X1 또는 X3이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 공중합체는 랜덤 공중합체이다. 랜덤 공중합체의 경우, 결정성 (crystallinity)이 줄어 들어, 무정형(amourphous)의 정도가 커져, 열에 장기적 안정성을 확보할 수 있고, 상기 공중합체를 포함하는 소자 및 모듈의 제작 공정이 쉬워진다.
또한, 랜덤 공중합체의 경우, 교대(alternative) 공중합체의 경우보다 결정성이 낮아, 소자의 사용에 따라 결정성이 낮아지면서 문제되는 소자의 수명에도 영향을 주지 않는다. 따라서, 랜덤 공중합체를 포함하는 유기 태양 전지는 소자의 안정성 및/또는 수명에서 유리한 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 및 R2는 용해도를 증가시키는 치환기이다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 용해도를 증가시키는 치환기는 화합물의 용해도를 증가시키는 치환기이면 한정하지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 및 R2는 탄소수 1 내지 40의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 1 내지 40의 치환 또는 비치환된 알콕시기, 치환 또는 비치환된 티올기, 치환 또는 비치환된 티오기, 또는 히드록시기이다.
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 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로 고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.
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 112013100430589-pat00010
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 112013100430589-pat00011
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 50인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸-부틸, 1-에틸-부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 시클로펜틸메틸, 시클로헥틸메틸, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸펜틸, 4-메틸헥실, 5-메틸헥실 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
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 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, 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, 아릴기는 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있으며, 탄소수 1 내지 25의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 25의 알콕시기가 치환되는 경우를 포함한다. 또한, 본 명세서 내에서의 아릴기는 방향족고리를 의미할 수 있다.
상기 아릴기가 단환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기, 스틸베닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아릴기가 다환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나. 탄소수 10 내지 24인 것이 바람직하다. 구체적으로 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 플루오레닐기는 2개의 고리 유기화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조이다.
상기 플루오레닐기는 열린 플루오레닐기의 구조를 포함하며, 여기서 열린 플루오레닐기는 2개의 고리 유기화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조에서 한쪽 고리 화합물의 연결이 끊어진 상태의 구조이다.
상기 플루오레닐기가 치환되는 경우,
Figure 112013100430589-pat00012
,
Figure 112013100430589-pat00013
,
Figure 112013100430589-pat00014
및
Figure 112013100430589-pat00015
등이 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 실릴기는 구체적으로 트리메틸실릴기, 트리에틸실릴기, t-부틸디메틸실릴기, 비닐디메틸실릴기, 프로필디메틸실릴기, 트리페닐실릴기, 디페닐실릴기, 페닐실릴기 등이 있으나 이에 한정되지 않는다.
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, 헤테로 고리기는 이종 원소로 O, N 및 S 중 1개 이상을 포함하는 헤테로 고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 싸이오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 피리다진기, 피라지닐기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 피리도 피리미디닐기, 피리도 피라지닐기, 피라지노 피라지닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조싸이오펜기, 디벤조싸이오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기(phenanthroline), 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 티아디아졸릴기, 벤조티아졸릴기, 페노티아지닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴옥시기, 아릴티옥시기, 아릴술폭시기 및 아랄킬아민기 중의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다. 구체적으로 아릴옥시기로는 페녹시, p-토릴옥시, m-토릴옥시, 3,5-디메틸-페녹시, 2,4,6-트리메틸페녹시, p-tert-부틸페녹시, 3-비페닐옥시, 4-비페닐옥시, 1-나프틸옥시, 2-나프틸옥시, 4-메틸-1-나프틸옥시, 5-메틸-2-나프틸옥시, 1-안트릴옥시, 2-안트릴옥시, 9-안트릴옥시, 1-페난트릴옥시, 3-페난트릴옥시, 9-페난트릴옥시 등이 있고, 아릴티옥시기로는 페닐티옥시기, 2－메틸페닐티옥시기, 4－tert－부틸페닐티옥시기 등이 있으며, 아릴술폭시기로는 벤젠술폭시기, p－톨루엔술폭시기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 헤테로아릴아민기 중의 헤테로 아릴기는 전술한 헤테로고리기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 알킬티옥시기, 알킬술폭시기 중의 알킬기는 전술한 알킬기의 예시와 같다. 구체적으로 알킬티옥시기로는 메틸티옥시기, 에틸티옥시기, tert－부틸티옥시기, 헥실티옥시기, 옥틸티옥시기 등이 있고, 알킬술폭시기로는 메실, 에틸술폭시기, 프로필술폭시기, 부틸술폭시기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, X1은 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, X2는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Y1은 N이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Y2는 N이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, X3는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위는 하기 화학식 1-1로 표시된다.
[화학식 1-1]
Figure 112013100430589-pat00016
화학식 1-1에 있어서,
R1 및 R2는 상기에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X5는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Y3는 CR이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Y4는 CR이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 알콕시기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 하기 화학식 2-1로 표시된다.
[화학식 2-1]
Figure 112013100430589-pat00017
화학식 2-1에 있어서,
R3 및 R4는 상기에서 정의한 바와 동일하고,
R8 및 R9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 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.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R8 및 R9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R8 및 R9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기; 또는 치환 또는 비치환된 티오펜기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 하기 화학식 2-2 또는 2-3으로 표시된다.
[화학식 2-2]
Figure 112013100430589-pat00018
[화학식 2-3]
Figure 112013100430589-pat00019
화학식 2-2 및 2-3에 있어서,
R11, R12, R15 및 R16은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 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.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, X6은 NR이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R은 도데카닐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, X7은 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위는 하기 화학식 3-1로 표시된다.
[화학식 3-1]
Figure 112013100430589-pat00020
화학식 3-1에 있어서,
R10은 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 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.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체는 하기 화학식 4로 표시되는 단위를 포함한다.
[화학식 4]
Figure 112013100430589-pat00021
화학식 4에 있어서,
A는 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고,
B 및 B'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 화학식 2로 표시되는 제2 단위이며,
C는 화학식 3으로 표시되는 제3 단위이고,
x는 몰분율로서, 0 < x < 1인 실수이고,
y은 몰분율로서, 0 < y < 1인 실수이며,
x+y = 1이고,
n은 1 내지 10,000의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체는 하기 화학식 5 또는 하기 화학식 6을 포함한다.
[화학식 5]
Figure 112013100430589-pat00022
[화학식 6]
Figure 112013100430589-pat00023
화학식 5 및 6에 있어서,
x는 몰분율로서, 0 < x < 1인 실수이고,
y은 몰분율로서, 0 < y < 1인 실수이며,
x+y = 1이고,
n은 1 내지 10,000의 정수이며,
X1 내지 X7, X4' 및 X5'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되고,
Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR로 이루어진 군에서 선택되며,
R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 용해도를 증가시키는 치환기이고,
R11 내지 R18, R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 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.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R11 내지 R18은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R11 내지 R18은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R11은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R11은 헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R12는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R12는 헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R13은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R13은 헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R14는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R14는 헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R15는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R15는 치환 또는 비치환된 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R15는 에틸헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R16은 치환 또는 비치환된 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R16은 에틸헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R17은 치환 또는 비치환된 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R17은 에틸헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R18은 치환 또는 비치환된 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R18은 에틸헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체는 하기 공중합체 1 또는 하기 공중합체 2를 포함한다.
[공중합체 1]
Figure 112013100430589-pat00024
[공중합체 2]
Figure 112013100430589-pat00025
x는 몰분율로서, 0 < x < 1인 실수이고,
y은 몰분율로서, 0 < y < 1인 실수이며,
x+y = 1이고,
n은 1 내지 10,000의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 x는 0.5이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 y는 0.5이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 말단기로는 헤테로 고리기 또는 아릴기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 말단기는 4-(트리플루오로메틸)페닐기(4-(trifluoromethyl)phenyl)이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체의 수평균 분자량은 500 g/mol내지 1,000,000 g/mol이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 공중합체의 수평균 분자량은 10,000 내지 100,000이 바람직하다. 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 수평균 분자량은 30,000 내지 100,000이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체는 1 내지 100의 분자량 분포를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 공중합체는 1 내지 3의 분자량 분포를 가진다.
분자량 분포는 낮을수록, 수평균 분자량이 커질수록 전기적 특성과 기계적 특성이 더 좋아진다.
또한, 일정 이상의 용해도를 가져서 용액도포법 적용이 유리하도록 하기 위해 수평균 분자량은 100,000이하인 것이 바람직하다.
본 명세서에 따른 공중합체는 다단계 화학반응으로 제조할 수 있다. 알킬화 반응, 그리냐르(Grignard) 반응, 스즈끼(Suzuki) 커플링 반응 및 스틸(Stille) 커플링 반응 등을 통하여 모노머들을 제조한 후, 스틸 커플링 반응 등의 탄소-탄소 커플링 반응을 통하여 최종 공중합체들을 제조할 수 있다. 도입하고자 하는 치환기가 보론산(boronic acid) 또는 보론산 에스터(boronic ester) 화합물인 경우에는 스즈키 커플링 반응을 통해 제조할 수 있고, 도입하고자 하는 치환기가 트리부틸틴(tributyltin) 화합물인 경우에는 스틸 커플링 반응을 통해 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 공중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 제1 전극, 광활성층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 유기 태양 전지는 기판, 정공수송층 및/또는 전자수송층이 더 포함될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 도너층을 통하여 양극으로 수송된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층은 상기 공중합체를 포함한다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층은 상기 공중합체를 포함한다.
도 20은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 도너층을 통하여 양극으로 수송된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 부가적인 유기물층을 더 포함할 수 있다. 상기 유기 태양 전지는 여러 기능을 동시에 갖는 유기물을 사용하여 유기물층의 수를 감소시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기 태양 전지는 캐소드, 광활성층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있고, 애노드, 광활성층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 노멀(Normal)구조이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 인버티드(Inverted) 구조이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 탠덤 (tandem) 구조이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양 전지는 광활성층이 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 버퍼층이 광활성층과 정공수송층 사이 또는 광활성층과 전자수송층 사이에 구비될 수 있다. 이때, 정공 주입층이 애노드와 정공수송층사이에 더 구비될 수 있다. 또한, 전자주입층이 캐소드와 전자수송층 사이에 더 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 전자 주개 및 받개로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함하고, 상기 전자 주개물질은 상기 공중합체를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 받개 물질은 플러렌, 플러렌 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 구체적으로 플러렌(fullerene), 플러렌 유도체(PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-methylester) 또는 PCBCR((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-cholesteryl ester), 페릴렌(perylene) PBI(polybenzimidazole), 및 PTCBI(3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 화합물이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성한다. 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질은 1:10 내지 10:1의 비율(w/w)로 혼합된다.
벌크 헤테로 정션이란 광활성층에서 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 서로 섞여 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 n 형 유기물층 및 p 형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer) 구조이며, 상기 p형 유기물층은 상기 공중합체를 포함한다.
본 명세서에서 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 terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PI(polyimide), TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극은 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SNO2 : Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 폴리(3-메틸싸이오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)싸이오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
상기 애노드 전극을 기판 상에 형성하는 경우, 이는 세정, 수분제거 및 친수성 개질 과정을 거칠 수 있다.
예컨대, 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로필 알코올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음, 수분 제거를 위해 가열판에서 100~150℃에서 1~30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합 표면 전위를 광활성층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 개질 시 애노드 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다.
애노드 전극의 위한 전 처리 기술로는 a) 평행 평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있다.
애노드 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 애노드 전극 또는 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이 때, 전 처리의 실질적인 효과를 극대화할 수 있다.
구체적인 예로서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용할 수 있다. 이 때, 초음파 세정 후 패터닝된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음, 챔버에 투입하고, UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV 광과 반응하여 발생하는 오존에 의하여 패터닝된 ITO 기판을 세정할 수 있다.
그러나, 본 명세서에 있어서의 패터닝된 ITO 기판의 표면 개질 방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
상기 캐소드 전극은 일함수가 작은 금속이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; LiF/Al, LiO2/Al, LiF/Fe, Al:Li, Al:BaF2, Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 캐소드 전극은 5x10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 증착되어 형성될 수 있으나, 이 방법에만 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.
광활성층은 전자공여체 및/또는 전자수용체와 같은 광활성 물질을 유기용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법으로 형성할 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.
상기 공중합체의 제조 방법 및 이를 포함하는 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.
실시예 1. 공중합체 1의 제조
Figure 112013100430589-pat00026
Figure 112013100430589-pat00027
본 명세서에서 4,7-비스(5-브로모싸이오펜-2-일)-5,6-비스(도데실옥시)-벤조[c][1,2,5]-싸이아다이아졸 (4,7-bis(5-bromothiophene-2-yl)-5,6-bis(dodoecyloxy)-benzo[c][1,2,5]-thiadiazole)은 이전의 문헌을 참고하여 제조하였다.
(Li, Yaowen; Chen, Yujin; Liu, Xing; Wang, Zhong; Yang, Xiaoming; Tu, Yingfeng; Zhu, Xiulin., Macromolecules, 2011, 44, 6370-6381)
본 명세서에서 1,3-다이브로모-5-도데실싸이에노[3,4-c]피롤-4,6-다이온(1,3-dibromo-5-dodecylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)은 이전의 문헌을 참고하여 제조하였다.
(Xugang Guo, Rocio Ponce Oitiz, Yan Zheng, Myung-Gil Kim, Shiming Zhang, Yan Hu, Gang Lu, Antonio Facchetti, and Tobin J. Marks, J. Am. Chem. Soc. 133, 2011, 13685-13697)
마이크로 웨이브 리엑터 바이알(Microwave reactor vial)에 클로로벤젠(chlorobenzene) 12ml, 2,6-비스(트라이메틸틴)-4,8-다이(2-에틸헥실옥시벤조[1,2-b:4,5-b']디싸이오펜 (2,6-bis(trimethyltin)-4,8-di(2-ethylhexyloxybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiphene, 0.600g, 0.7769mmol), 4,7-비스(5-브로모싸이오펜-2-일)-5,6-비스(도데실옥시)-벤조[c][1,2,5]-싸이아다이아졸 (4,7-bis(5-bromothiophene-2-yl)-5,6-bis(dodoecyloxy)-benzo[c][1,2,5]-thiadiazole 0.3213g, 0.3885mmol), 1,3-다이브로모-5-도데실싸이에노[3,4-c]피롤-4,6-다이온(1,3-dibromo-5-dodecylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione 0.1861g, 0.3885mmol) Pd2(dba)3 (Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0), 10 mg), 트라이-(오-톨릴)포스핀 (Tri-(o-tolyl)phosphine, 80 mg)을 넣고 170 ℃ 조건 하에 1시간 동안 반응 시켰다. 혼합물을 실온까지 냉각하여 메탄올에 부은 후 고체를 걸러 아세톤, 헥산, 클로로폼에 석슐렛 추출(Soxhlet extraction)한 다음, 클로로폼 부분을 다시 메탄올에 침전시켜 고체를 걸러내었다.
수율: 54%
수평균 분자량: 27,500g/mol
무게 평균 분자량: 49,826g/mol
도 2는 실시예 1의 공중합체1의 클로로벤젠 용액을 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2의 필름상 UV 흡광 스펙트럼은 화합물을 클로로벤젠에 1 wt%의 농도로 녹여 이 용액을 유리기판 위에 떨어뜨린 후 1000 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅한 샘플을 125도, 150도, 200도에서 열처리 한 뒤 UV-Vis 흡광 스펙트럼(UV-Vis absorption spectrometer)를 이용하여 분석하였다.
도 3은 실시예 1의 공중합체 1의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
도 3의 전기 화학 (cyclic voltametry)의 측정은 Bu4NBF4를 아세토나이트릴에 0.1 M로 녹인 전해질 용액에 글래시 카본 활성(glassy carbon working) 전극과 Ag/Agcl 기준(reference) 전극, 그리고 Pt 전극을 담아 삼전극법으로 분석하였다. 화합물은 작업 (working) 전극에 드롭 캐스팅(drop casting) 방법으로 코팅되었다.
실시예 2. 공중합체 2의 제조
Figure 112013100430589-pat00028
Figure 112013100430589-pat00029
마이크로 웨이브 리엑터 바이알(Microwave reactor vial)에 클로로벤젠(chlorobenzene) 15ml, 2,6-비스(트라이메틸틴)-4,8-비스(5-(2-헥실)티오펜-2-일)벤조[1,2-b:4,5-b']디싸이오펜 (2,6-bis(trimethyltin)-4,8-bis(5-(2-hexyl)thiophene-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiphene, 0.500g, 0.5893mmol), 4,7-비스(5-브로모싸이오펜-2-일)-5,6-비스(도데실옥시)-벤조[c][1,2,5]-싸이아다이아졸 (4,7-bis(5-bromothiophene-2-yl)-5,6-bis(dodoecyloxy)-benzo[c][1,2,5]-thiadiazole 0.2436g, 0.2947mmol), 1,3-다이브로모-5-도데실싸이에노[3,4-c]피롤-4,6-다이온(1,3-dibromo-5-dodecylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione 0.1412g, 0.2947mmol) Pd2(dba)3 (Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0), 10 mg), 트라이-(오-톨릴)포스핀 (Tri-(o-tolyl)phosphine, 80 mg)을 넣고 170 ℃ 조건 하에 1시간 동안 반응 시켰다. 혼합물을 실온까지 냉각하여 메탄올에 부은 후 고체를 걸러 아세톤, 헥산, 클로로폼에 석슐렛 추출(Soxhlet extraction)한 다음, 클로로폼 부분을 다시 메탄올에 침전시켜 고체를 걸러내었다.
수율: 54%
수평균 분자량: 21,055g/mol
무게 평균 분자량: 40,826g/mol
도 5는 실시예 2의 공중합체2의 클로로벤젠 용액을 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5의 필름상 UV 흡광 스펙트럼은 화합물을 클로로벤젠에 1 wt%의 농도로 녹여 이 용액을 유리기판 위에 떨어뜨린 후 1000 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅한 샘플을 170도에서 열처리 한 뒤 UV-Vis 흡광 스펙트럼(UV-Vis absorption spectrometer)를 이용하여 분석하였다.
도 6은 실시예 2의 공중합체 2의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
도 6의 전기 화학 (cyclic voltametry)의 측정은 Bu4NBF4를 아세토나이트릴에 0.1 M로 녹인 전해질 용액에 글래시 카본 활성(glassy carbon working) 전극과 Ag/Agcl 기준(reference) 전극, 그리고 Pt 전극을 담아 삼전극법으로 분석하였다. 화합물은 작업 (working) 전극에 드롭 캐스팅(drop casting) 방법으로 코팅되었다.
유기 태양 전지의 제조 및 특성 측정
비교예 2. 유기 태양전지의 제조-1
상기 실시예 1에서 제조한 공중합체 1과 PCBM을 1:2로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 nm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 화합물-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양전지를 제조하였다.
제조예 2. 유기 태양전지의 제조-2
상기 실시예 2에서 제조한 공중합체 2와 PCBM을 1:2로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 nm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 화합물-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양전지를 제조하였다.
비교예 1. 유기 태양전지의 제조
P3HT와 PCBM을 1:1로 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene, DCB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 1.0 ~ 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 cm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 화합물-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여 120 ℃에서 5분간 열처리하고, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 LiF를 7 Å 증착한 후 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양전지를 제조하였다.
< 시험예 1>
상기 제조예 1, 제조예 2 및 비교예 1에서 제조된 제조된 유기 태양전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 1에 그 결과를 나타내었다.
활성층 VOC(V) JSC (mA/cm2) FF PCE(%)
비교예 2 공중합체 1/PC61BM = 1:2 0.67 7.90 59.0 3.10
제조예 2 공중합체 2/PC61BM = 1:2 0.79 9.71 57.0 4.35
비교예 1 P3HT/PC61BM = 1:1 0.62 9.97 45.5 2.80
표 1에서 총 두께는 유기 태양전지 내에서 활성층의 두께를 의미하며 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 충전율(Fill factor)은 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
도 4는 제조예 1에서 제조된 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 7은 제조에 2에서 제조된 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
101: 기판
102: 제1 전극
103: 정공수송층
104: 광활성층
105: 제2 전극

Claims (17)

  1. 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체:
    [화학식 5]
    Figure 112016048804128-pat00037

    화학식 5에 있어서,
    x는 몰분율로서, 0 < x < 1인 실수이고,
    y은 몰분율로서, 0 < y < 1인 실수이며,
    x+y = 1이고,
    n은 1 내지 10,000의 정수이며,
    X1 내지 X7, X4' 및 X5'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되고,
    Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR로 이루어진 군에서 선택되며,
    R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 용해도를 증가시키는 치환기이고,
    R11 내지 R14, R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 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.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 공중합체는 랜덤 공중합체인 것인 공중합체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 공중합체의 수평균 분자량은 500 g/mol 내지 1,000,000 g/mol인 공중합체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 공중합체의 분자량 분포는 1 내지 100인 공중합체.
  11. 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 청구항 1에 따른 공중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함하고,
    상기 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층은 상기 공중합체를 포함하는 유기 태양 전지.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 유기물층은 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함하고,
    상기 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층은 상기 공중합체를 포함하는 유기 태양 전지.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함하고,
    상기 전자 주개는 상기 공중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 전자 받개는 플러렌, 플러렌 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 태양 전지.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성하는 것인 유기 태양 전지.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer)구조이며,
    상기 p형 유기물층은 상기 공중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
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