KR101790678B1 - 전자 공여체 고분자 및 이를 포함하는 유기 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
화학식 1로 표시되는 반복단위, 그리고 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 포함하는 반복단위 A를 포함하는 전자 공여체 고분자를 제공한다.
Description
본 기재는 전자 공여체 고분자 및 이를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나뉠 수 있다. 유기 태양 전지는 광활성층의 구조에 따라 p형 반도체와 n형 반도체가 별개의 층으로 이루어진 바이레이어 p-n 접합(bi-layer p-n junction) 구조와 p형 반도체와 n형 반도체가 혼합되어 있는 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조로 나눌 수 있다.
일 구현예는 넓은 파장영역의 빛을 흡수할 수 있고, 평면 가지가 인접한 고분자 사슬간의 인력(inter-chain interaction)을 증가시켜 정공 이동도를 개선할 수 있는 전자 공여체 고분자를 제공한다.
다른 일 구현예는 광 흡수율, 단락전류밀도(Jsc, short circuit current density) 및 개방전압(Voc, open circuit voltage)을 높이고, 정공 이동도를 높여 효율을 개선할 수 있는 유기 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면 전자 공여체 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위, 그리고 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 포함하는 반복단위 A를 포함한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이다.
구체적으로는 상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기일 수 있다.
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 또는 상기 R1 및 R2에 포함되는 적어도 하나의 CH2 그룹이 -O-, -S-, -SO2-, -CO-, -OCO-, -COO-, -C=C-, -C≡C- 및 -SiR101R102(여기서 R101 및 R102는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임)로 치환될 수 있다.
구체적으로는 상기 R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기일 수 있다.
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 2 내지 4에서,
Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 전자 흡인기(electron withdrawing group)이다. 여기서, 상기 전자 흡인기는 -CF3, -CCl3, -CBr3, -CI3, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -NO, -CN, -COCH3, -CO2C2H5, -SO3, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 금속 설포네이트로부터 유도된 잔기(여기서, 상기 금속은 1족 금속 또는 2족 금속임), 또는 C2 내지 C30 방향족 유기기일 수 있다.
구체적으로는 상기 Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO, 또는 -CN이다.
n1은 1 내지 5의 정수이다.
n2는 0 내지 3의 정수이고, n3은 0 내지 4의 정수이며, n2+n3은 1 내지 5의 정수이다.
n4는 0 내지 3의 정수이고, n5는 0 내지 2의 정수이고, n6은 0 내지 4의 정수이며, n4+n5+n6은 1 내지 5의 정수이다.
R4, R6, R7 및 R9 내지 R11은 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 또는 상기 R4, R6, R7 및 R9 내지 R11에 포함되는 적어도 하나의 CH2 그룹이 -O-, -S-, -SO2-, -CO-, -OCO-, -COO-, -C=C-, -C≡C- 및 -SiR103R104(여기서 R103 및 R104는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임)로 치환될 수 있다.
구체적으로는 상기 R4, R6, R7 및 R9 내지 R11은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기일 수 있다.
R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 -SR105이고, 여기서 R105는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이다.
구체적으로는 상기 R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐일 수 있다.
m4는 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수이고,
m6 및 m9는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,
m7 및 m11은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,
m10는 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이다.
구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자에서, 상기 반복단위 A는 하기 화학식 7-1 내지 7-3으로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[화학식 7-1]
[화학식 7-2]
[화학식 7-3]
상기 화학식 7-1 내지 7-3에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고, 구체적으로는 상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기일 수 있다.
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN이다.
n1은 1 또는 2의 정수이고,
n2는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n3은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n2+n3은 1 또는 2의 정수이고,
n4는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n5는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n6은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n4+n5+n6은 1 또는 2의 정수이다.
상기 전자 공여체 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 약 1:1 내지 약 1:1.4의 몰비로 포함할 수 있다.
상기 전자 공여체 고분자는 약 1,000 내지 약 800,000의 수평균 분자량을 가질 수 있다. 또한, 상기 전자 공여체 고분자는 약 1.2 eV 내지 약 2.5 eV의 밴드갭을 가질 수 있다.
다른 일 구현예에 따르면 전자 공여체 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위, 그리고 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 포함하는 반복단위 A; 및 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 9로 표시되는 반복단위를 포함하는 반복단위 B를 포함한다.
이하에서 달리 설명하지 않는 한, 화학식 1, 화학식 2 내지 4, 및 반복단위 A에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
[화학식 9]
상기 화학식 9에서,
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 -SR107이고, 여기서 R107은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이다.
구체적으로는 상기 화학식 9로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 9-1로 표시되는 반복단위, 화학식 9-2로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[화학식 9-1]
[화학식 9-2]
상기 화학식 9-1 및 9-2에서,
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이다.
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
구체적으로는 상기 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기는 하기 화학식 10-1 또는 10-2로 표시되는 작용기를 포함할 수 있다.
[화학식 10-1]
[화학식 10-2]
상기 화학식 10-1 및 10-2에서,
X5 내지 X7은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 2가의 C1 내지 C20 지방족 유기기이고,
R12 및 R13은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기이다.
구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자에서, 상기 반복단위 B는 하기 화학식 12로 표시되는 반복단위를 포함할 수 있다.
[화학식 12]
상기 화학식 12에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고, 구체적으로는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기일 수 있다.
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이다.
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
상기 전자 공여체 고분자는 상기 반복단위 A와 상기 반복단위 B를 약 1:10 내지 약 10:1의 몰비로 포함할 수 있다.
상기 전자 공여체 고분자는 약 1,000 내지 약 800,000의 수평균 분자량을 가질 수 있다. 또한, 상기 전자 공여체 고분자는 약 1.2 eV 내지 약 2.5 eV의 밴드갭을 가질 수 있다.
또 다른 일 구현예에 따른 유기 태양 전지는 서로 마주하는 애노드와 캐소드, 그리고 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하고 상기 전자 공여체 고분자를 포함하는 전자 공여체 및 전자 수용체(electron acceptor)를 포함하는 광 활성층을 포함한다.
기타 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
광 흡수율, 단락전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc) 및 정공 이동도를 높여 유기 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 실시예 1의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼이다.
도 3은 실시예 2의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼이다.
도 4는 비교예 1의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼이다.
도 5는 비교예 2의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼이다.
도 6은 실시예 5, 실시예 6, 및 비교예 4 내지 6의 태양 전지의 I-V 곡선이다.
도 2는 실시예 1의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼이다.
도 3은 실시예 2의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼이다.
도 4는 비교예 1의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼이다.
도 5는 비교예 2의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼이다.
도 6은 실시예 5, 실시예 6, 및 비교예 4 내지 6의 태양 전지의 I-V 곡선이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "치환" 내지 "치환된"이란, 본 발명의 작용기 중의 하나 이상의 수소가 할로겐(F, Br, Cl 또는 I), 하이드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기(NH2, NH(R200) 또는 N(R201)(R202)이고, 여기서 R200, R201 및 R202는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 C1 내지 C10 알킬기임), 아미디노기, 하이드라진기, 하이드라존기, 카르복실기, 치환 또는 비치환된 알킬기, 치환 또는 비치환된 할로알킬기, 치환 또는 비치환된 알콕시기, 치환 또는 비치환된 알케닐기, 치환 또는 비치환된 알키닐기, 치환 또는 비치환된 아릴기, 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기, 및 치환 또는 비치환된 헤테로사이클로알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 것을 의미한다.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "지방족"이란 C1 내지 C20 알킬, C2 내지 C20 알케닐, C2 내지 C20 알키닐, C1 내지 C20 알킬렌, C2 내지 C20 알케닐렌, 또는 C2 내지 C20 알키닐렌을 의미하고, 구체적으로는 C1 내지 C15 알킬, C2 내지 C15 알케닐, C2 내지 C15 알키닐, C1 내지 C15 알킬렌, C2 내지 C15 알케닐렌, 또는 C2 내지 C15 알키닐렌을 의미하고, 더욱 구체적으로는 C1 내지 C10 알킬, C2 내지 C10 알케닐, C2 내지 C10 알키닐, C1 내지 C10 알킬렌, C2 내지 C10 알케닐렌, 또는 C2 내지 C10 알키닐렌을 의미하고, "방향족"이란 C6 내지 C30 아릴, C2 내지 C30 헤테로아릴, C6 내지 C30 아릴렌 또는 C2 내지 C30 헤테로아릴렌을 의미하고, 구체적으로는 C6 내지 C20 아릴, C2 내지 C20 헤테로아릴, C6 내지 C20 아릴렌 또는 C2 내지 C20 헤테로아릴렌을 의미한다.
또한 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "헤테로사이클로알킬기", "헤테로아릴기" 및 "헤테로아릴렌기"는 각각 독립적으로 N, O, S, Si 또는 P의 헤테로 원자를 하나의 고리 내에 1개 내지 3개 함유하고, 나머지는 탄소인 사이클로알킬기, 아릴기 및 아릴렌기를 의미한다.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "알킬기"란 C1 내지 C20 알킬기를 의미하고, 구체적으로는 C1 내지 C15 알킬기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C1 내지 C10 알킬기를 의미하고, "사이클로알킬기"란 C3 내지 C20 사이클로알킬기를 의미하고, 구체적으로는 C3 내지 C15 사이클로알킬기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C3 내지 C10 사이클로알킬기를 의미하고, "알킬렌기"란 C1 내지 C20 알킬렌기를 의미하고, 구체적으로는 C1 내지 C15 알킬렌기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C1 내지 C10 알킬렌기를 의미하고, "알케닐기"란 C2 내지 C20 알케닐기를 의미하고, 구체적으로는 C2 내지 C15 알케닐기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C2 내지 C10 알케닐기를 의미하고, "알케닐렌기"란 C2 내지 C20 알케닐렌기를 의미하고, 구체적으로는 C2 내지 C15 알케닐렌기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C2 내지 C10 알케닐렌기를 의미하고, "알키닐기"란 C2 내지 C20 알키닐기를 의미하고, 구체적으로는 C2 내지 C15 알키닐기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C2 내지 C10 알키닐기를 의미하고, "알키닐렌기"란 C2 내지 C20 알키닐렌기를 의미하고, 구체적으로는 C2 내지 C15 알키닐렌기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C2 내지 C10 알키닐렌기를 의미하고, "알콕시기"란 C1 내지 C20 알콕시기를 의미하고, 구체적으로는 C1 내지 C15 알콕시기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C1 내지 C10 알콕시기를 의미하고, "에스테르기"란 C1 내지 C20 에스테르기를 의미하고, 구체적으로는 C1 내지 C15 에스테르기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C1 내지 C10 에스테르기를 의미하고, "아릴기"란 C6 내지 C30 아릴기를 의미하고, 구체적으로는 C6 내지 C20 아릴기를 의미하며, 더욱 구체적으로는 C6 내지 C15 아릴기를 의미하고, "헤테로사이클로알킬기"란 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기를 의미하고, 구체적으로는 C2 내지 C20 헤테로사이클로알킬기를 의미하며, "할로겐"이란 F, Cl, Br 또는 I를 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "조합"이란 일반적으로는 혼합 또는 공중합을 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "공중합"이란 블록 공중합, 랜덤 공중합 또는 그래프트 공중합을 의미하고, "공중합체"란 블록 공중합체, 랜덤 공중합체 또는 그래프트 공중합체를 의미한다.
또한 본 명세서에서 "＊"는 동일하거나 상이한 원자 또는 화학식과 연결되는 부분을 의미한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
일 구현예에 따른 전자 공여체 고분자는 반복단위 A를 포함한다. 상기 반복단위 A는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하고, 또한 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 포함한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 SR100이다. 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고, 구체적으로는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기일 수 있다. X1 및 X2가 알케닐기 또는 알키닐기를 포함하는 경우, 탄소-탄소 불포화 결합, 예를 들면 탄소-탄소 이중결합 및 탄소-탄소 삼중결합을 1개 또는 2개 포함할 수 있다.
구체적으로는 상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기일 수 있다.
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 또는 상기 R1 및 R2에 포함되는 적어도 하나의 CH2 그룹이 -O-, -S-, -SO2-, -CO-, -OCO-, -COO-, -C=C-, -C≡C- 및 -SiR101R102(여기서 R101 및 R102는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임)로 치환될 수 있다.
구체적으로는 상기 R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기일 수 있다.
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 2 내지 4에서,
Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 전자 흡인기(electron withdrawing group)이다. 여기서, 상기 전자 흡인기는 -CF3, -CCl3, -CBr3, -CI3, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -NO, -CN, -COCH3, -CO2C2H5, -SO3, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 금속 설포네이트로부터 유도된 잔기(여기서, 상기 금속은 1족 금속 또는 2족 금속임), 또는 C2 내지 C30 방향족 유기기일 수 있다. 이때, 상기 1족 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 또는 프란슘(Fr)일 수 있고, 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)인 것이 좋다. 상기 2족 금속은 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 또는 라듐(Ra)일 수 있고, 칼슘(Ca)인 것이 좋다.
구체적으로는 상기 Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN일 수 있다.
n1은 1 내지 5의 정수이고, 구체적으로는 1 또는 2의 정수일 수 있다.
n2는 0 내지 3의 정수이고, n3은 0 내지 4의 정수이며, n2+n3은 1 내지 5의 정수이고, 구체적으로는 상기 n2는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n3은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n2+n3은 1 또는 2의 정수일 수 있다.
n4는 0 내지 3의 정수이고, n5는 0 내지 2의 정수이고, n6은 0 내지 4의 정수이며, n4+n5+n6은 1 내지 5의 정수이고, 구체적으로는 상기 n4는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n5는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n6은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n4+n5+n6은 1 또는 2의 정수일 수 있다.
R4, R6, R7 및 R9 내지 R11은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 또는 상기 R4, R6, R7 및 R9 내지 R11에 포함되는 적어도 하나의 CH2 그룹이 -O-, -S-, -SO2-, -CO-, -OCO-, -COO-, -C=C-, -C≡C- 및 -SiR103R104(여기서 R103 및 R104는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임)로 치환될 수 있다.
구체적으로는 상기 R4, R6, R7 및 R9 내지 R11은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기일 수 있다.
R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 -SR105이고, 여기서 R105는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이다.
구체적으로는 상기 R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐일 수 있다.
m4는 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수이고,
m6 및 m9는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,
m7 및 m11은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,
m10은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이다.
상기 전자 공여체 고분자에서, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위는 전자 공여기로 작용함으로써, 전자를 외부에 제공하는 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 5-1 내지 화학식 5-10으로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 5-1] [화학식 5-2]
[화학식 5-3] [화학식 5-4]
[화학식 5-5] [화학식 5-6]
[화학식 5-7] [화학식 5-8]
[화학식 5-9] [화학식 5-10]
상기 전자 공여체 고분자에서, 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위는 평면 구조(planar structure)를 가지는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기를 함유한다. 이로써, 상기 전자 공여체 고분자는, 방향족 유기기의 전자 당김 효과에 의해 개방 전압(open circuit voltage, Voc)를 증가시킬 수 있고, 밴드갭을 줄일 수 있다. 이와 함께 보다 넓은 파장 영역의 태양광을 흡수할 수 있다. 또한 상기 고분자 간의 상호 작용 증가로 적층 구조를 개선하여 정공 이동도(hole mobility)를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 단락 전류 밀도(short circuit current density, Jsc)를 개선할 수 있다.
상기 전자 공여체 고분자에서, 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위는 상기 평면 구조를 가지는 방향족 유기기와 연결된 전자 흡인기, 구체적으로는 전자 수용성 작용기(electron accepting functional group)를 포함할 수도 있다. 상기 전자 흡인기는 상기 전자 공여체 고분자의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨 및 HOMO(highest occupied molecular orbital) 레벨을 낮추어 개방전압(Voc)을 높일 수 있다. 따라서, 상기 전자 공여체 고분자를 유기 태양 전지에 사용하는 경우, 유기 태양 전지의 광전변환효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
구체적으로는 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 6-1 내지 6-6으로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 6-1] [화학식 6-2] [화학식 6-3]
[화학식 6-4] [화학식 6-5] [화학식 6-6]
구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자에서, 상기 반복단위 A는 하기 화학식 7-1 내지 7-3으로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 7-1]
[화학식 7-2]
[화학식 7-3]
상기 화학식 7-1 내지 7-3에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고, 구체적으로는 상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기일 수 있다.
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN이다.
n1은 1 또는 2의 정수이고,
n2는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n3은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n2+n3은 1 또는 2의 정수이고,
n4는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n5는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n6은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n4+n5+n6은 1 또는 2의 정수이다.
구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자에서, 상기 반복단위 A는 하기 화학식 8-1 내지 8-18로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 8-1] [화학식 8-2]
[화학식 8-3] [화학식 8-4]
[화학식 8-5] [화학식 8-6]
[화학식 8-7] [화학식 8-8]
[화학식 8-9] [화학식 8-10]
[화학식 8-11] [화학식 8-12]
[화학식 8-13] [화학식 8-14]
[화학식 8-15] [화학식 8-16]
[화학식 8-17] [화학식 8-18]
상기 전자 공여체 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 약 1:1 내지 약 1:1.4의 몰비로 포함할 수 있다. 상기 반복단위들의 몰비가 상기 범위 내인 경우, 상기 전자 공여체 고분자의 분자량을 효과적으로 제어할 수 있고, 상기 전자 공여체 고분자를 용액 공정으로 용이하게 제조할 수 있다. 구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 약 1:1.002 내지 약 1:1.2의 몰비로 포함할 수 있다.
상기 전자 공여체 고분자는 약 1,000 내지 약 800,000의 수평균 분자량을 가질 수 있다. 상기 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량이 상기 범위 내인 경우, 상기 전자 공여체 고분자의 형성 시에 용액 조성을 용이하게 조절할 수 있어, 상기 전자 공여체 고분자의 물성을 효과적으로 조절할 수 있다. 또한 상기 전자 공여체 고분자를 용이하게 가공할 수 있어, 이를 유기 태양 전지의 제조에 용이하게 사용할 수 있다. 구체적으로는 전자 공여체 고분자는 약 2,000 내지 약 100,000의 수평균 분자량을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 5,000 내지 약 50,000의 수평균 분자량을 가질 수 있다.
상기 전자 공여체 고분자는 약 1.2 eV 내지 약 2.5 eV의 밴드갭을 가질 수 있다. 전자 공여체 고분자의 밴드갭이 상기 범위 내인 경우, 넓은 파장 영역에서 태양광을 효과적으로 흡수할 수 있어 단락전류밀도(Jsc)를 높일 수 있고, 이로 인해 이를 사용하는 유기 태양 전지의 효율을 효과적으로 개선할 수 있다. 구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자는 약 1.2 eV 내지 약 2.1 eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자는 약 1.2 eV 내지 약 1.9 eV의 밴드갭을 가질 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 전자 공여체 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위, 그리고 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 포함하는 반복단위 A; 및 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 9로 표시되는 반복단위를 포함하는 반복단위 B를 포함한다. 이때, 상기 전자 공여체 고분자에서 상기 반복단위 A와 상기 반복단위 B는 공중합되어 존재할 수 있다.
이하에서 달리 설명하지 않는 한, 화학식 1, 화학식 2 내지 4, 및 반복단위 A에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
[화학식 9]
상기 화학식 9에서,
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이다.
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 -SR107이고, 여기서 R107은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고, 구체적으로는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기일 수 있다.
X3 및 X4가 알케닐기 또는 알키닐기를 포함하는 경우, 탄소-탄소 불포화 결합, 예를 들면 탄소-탄소 이중결합 및 탄소-탄소 삼중결합을 1개 또는 2개 포함할 수 있다.
구체적으로는 상기 화학식 9로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 9-1로 표시되는 반복단위, 화학식 9-2로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[화학식 9-1]
[화학식 9-2]
상기 화학식 9-1 및 9-2에서,
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이다.
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
상기 반복단위 B에 포함되는 상기 화학식 9로 표시되는 반복단위는 상용화재(compatibilizer)로서의 역할을 수행할 수 있다. 상기 화학식 9로 표시되는 반복단위는 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기를 포함한다. 이로써, 상기 전자 공여체 고분자는 전자 수용체와의 혼화성을 개선할 수 있어, 광 활성층의 모폴로지를 효과적으로 개선할 수 있다. 그 결과 전자와 정공의 분리를 용이하게 할 수 있고, 전자와 정공의 재결합(recombination)을 방지할 수 있어, 이를 유기 태양 전지에 사용할 경우 유기 태양 전지의 충진 인자(fill factor, FF)를 증가시켜 광전변환효율을 개선할 수 있다.
상기 반복단위 B에서, 상기 화학식 9로 표시되는 반복단위에 포함되는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기는 소수성을 나타낼 수 있고, 한편 상기 에스테르 잔기는 친수성 내지 극성을 나타낼 수 있다. 이에 의해, 상기 전자 공여체 고분자는 다양한 용매에 효과적으로 용해될 수 있어, 광 활성층의 형성을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 반복단위 B에서, 상기 화학식 9로 표시되는 반복단위는 상기 전자 수용기를 포함함으로써, 상기와 같은 전자 수용 작용기를 포함하지 않은 고분자에 비해, 낮은 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨을 가지면서도, HOMO(highest occupied molecular orbital) 레벨은 비슷한 수준으로 유지할 수 있다. 그 결과, 상기 전자 공여체 고분자는, 상기와 같은 전자 수용 작용기를 포함하지 않은 고분자에 비해, 작은 밴드갭을 가질 수 있고, 보다 넓은 파장 영역의 태양광을 흡수할 수 있다.
구체적으로는 상기 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기는 하기 화학식 10-1 또는 10-2로 표시되는 작용기를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 10-1]
[화학식 10-2]
상기 화학식 10-1 및 10-2에서,
X5 내지 X7은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 2가의 C1 내지 C20 지방족 유기기이고, 구체적으로는 치환 또는 비치환된 2가의 C1 내지 C20 알킬렌기일 수 있고, 더욱 구체적으로는 치환 또는 비치환된 2가의 C1 내지 C10 알킬렌기일 수 있다.
R12 및 R13은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기이고, 구체적으로는 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기일 수 있고, 더욱 구체적으로는 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기일 수 있다. 또한 R12 및 R13은 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬기일 수 있다.
구체적으로는 상기 화학식 9로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 11-1로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 11-2로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 11-1] [화학식 11-2]
구체적으로는 상기 반복단위 B는 하기 화학식 12로 표시되는 반복단위를 포함할 수 있다.
[화학식 12]
상기 화학식 12에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고, 구체적으로는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기일 수 있다.
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이다.
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고, 구체적으로는 수소일 수 있다.
구체적으로는 상기 반복단위 B는 하기 화학식 13-1 내지 13-6으로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 13-1] [화학식 13-2]
[화학식 13-3]
[화학식 13-4]
[화학식 13-5]
[화학식 13-6]
상기 전자 공여체 고분자가 상기 반복단위 A 및 상기 반복단위 B를 포함하는 경우, 상기 전자 공여체 고분자는 상기 반복단위 A와 상기 반복단위 B를 약 1:10 내지 약 10:1의 몰비로 포함할 수 있다. 상기 반복단위 A와 상기 반복단위 B의 몰비가 상기 범위 내인 경우, 상기 전자 공여체 고분자의 밴드갭 및 수평균 분자량을 효과적으로 제어할 수 있고, 상기 전자 공여체 고분자를 용액 공정으로 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 상기 전자 공여체 고분자에서 상 분리가 일어나지 않고, 상기 전자 공여체 고분자를 사용하여 광활성 층을 제조할 때 전자 수용체와 균일하게 혼합되어 모폴로지를 개선할 수 있다. 구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자는 상기 반복단위 A와 상기 반복단위 B를 1:5 내지 약 5:1의 몰비로 포함할 수 있다.
상기 전자 공여체 고분자는 약 1,000 내지 약 800,000의 수평균 분자량을 가질 수 있다. 상기 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량이 상기 범위 내인 경우, 상기 전자 공여체 고분자의 형성 시에 용액 조성을 용이하게 조절할 수 있어, 상기 전자 공여체 고분자의 물성을 효과적으로 조절할 수 있다. 또한 상기 전자 공여체 고분자를 용이하게 가공할 수 있어, 이를 유기 태양 전지의 제조에 용이하게 사용할 수 있다. 구체적으로는 전자 공여체 고분자는 약 2,000 내지 약 100,000의 수평균 분자량을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 5,000 내지 약 50,000의 수평균 분자량을 가질 수 있다.
상기 전자 공여체 고분자는 약 1.2 eV 내지 약 2.5 eV의 밴드갭을 가질 수 있다. 전자 공여체 고분자의 밴드갭이 상기 범위 내인 경우, 넓은 파장 영역에서 태양광을 효과적으로 흡수할 수 있어 단락전류밀도(Jsc)를 높일 수 있고, 이로 인해 이를 사용하는 유기 태양 전지의 효율을 효과적으로 개선할 수 있다. 구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자는 약 1.2 eV 내지 약 2.1 eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 상기 전자 공여체 고분자는 약 1.2 eV 내지 약 1.9 eV의 밴드갭을 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 전자 공여체 고분자를 포함하는 광활성층을 제공한다.
상기 광활성층은 다양한 전자 소자에 적용될 수 있으며, 상기 전자 소자의 일 예로 유기 태양 전지를 들 수 있다.
이하 도 1을 참고하여 일 구현예에 따른 유기 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 태양 전지(100)는 기판(10), 기판(10)의 일면에 위치하는 하부 전극(20), 하부 전극(20)의 일면에 위치하는 광 활성층(30), 광 활성층(30)의 일면에 위치하는 상부 전극(40)을 포함한다.
기판(10)은 투광성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 유리와 같은 무기 물질 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드 및 폴리에테르술폰과 같은 유기 물질로 만들어질 수 있다.
하부 전극(20) 및 상부 전극(40) 중 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 하부 전극(20) 및 상부 전극(40) 중 하나는 ITO(indium tin oxide), 인듐 도핑된 산화아연 (indium doped ZnO, IZO), 산화주석(SnO2), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO) 따위의 투명 도전체로 만들어질 수 있으며, 다른 하나는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 등의 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
광 활성층(30)은 n형 반도체 물질로 만들어진 전자 수용체와 p형 반도체 물질로 만들어진 전자 공여체를 포함한다.
전자 수용체는 예컨대 전자 친화도가 큰 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61, PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM 등과 같은 플러렌 유도체들; 페릴렌(perylene); CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
전자 공여체는 상술한 전자 공여체 고분자를 포함한다. 상기 전자 공여체 고분자를 포함함으로써, 상기 유기 태양 전지는 기존의 유기 태양 전지에 비해 더 높은 단락전류밀도(Jsc) 및 개방전압(Voc)를 가질 수 있고, 정공 이동도를 효과적으로 개선할 수 있다. 이로 인해, 상기 유기 태양 전지는 우수한 광전변환효율을 가질 수 있다.
전자 수용체와 전자 공여체는 예컨대 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 이룰 수 있다. 벌크 이종접합 구조는 광 활성층(30)에 흡수된 빛에 의해 여기된 전자-정공 쌍이 확산을 통해 전자 수용체와 전자 공여체의 계면에 도달하면 그 계면을 이루는 두 물질의 전자 친화도 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 전자 수용체를 통해 캐소드로 이동하고 정공은 전자 공여체를 통해 애노드로 이동하여 광전류(photocurrent)를 발생시킨다.
여기서, 상기 전자 공여체 고분자가 유기 태양 전지의 광활성층에 적용되는 경우만 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 전자 공여체 고분자는 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED), 유기 박막 트랜지스터(organic thin film transitor, OTFT) 등과 같은 다른 전자 소자의 광활성층에도 적용될 수 있다.
이하 본 기재의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 기재의 일 실시예일뿐이며, 본 기재가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예
1: 전자 공여체 고분자의 제조
하기 반응식 1로 표시되는 바에 따라 전자 공여체 고분자를 제조한다.
[반응식 1]
2,6-비스(트리메틸틴)-1,8-비스((2-에틸헥실)옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(2,6-bis(trimethyltin)-1,8-bis((2-ethylhexyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene) 0.250 mmol 및 4,6-디브로모티에노[3,4-b]티오펜-2-일(페닐)메타논(4,6-dibromothieno[3,4-b]thiophen-2-yl(phenyl)methanone) 0.250 mmol을 DMF/톨루엔(dimethylforamide/toluene)(부피비=1:4) 5 ml에 넣고, 이어서 촉매로 Pd(PPh3)4 0.010 mmol을 넣고 120℃의 온도에서 6시간 동안 교반하여 전자 공여체 고분자를 제조한다. 상기 제조한 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량은 14000이다.
실시예
2: 전자 공여체 고분자의 제조
하기 반응식 2로 표시되는 바에 따라 전자 공여체 고분자를 제조한다.
[반응식 2]
2,6-비스(트리메틸틴)-1,8-비스((2-에틸헥실)옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜 0.400 mmol, 4,6-디브로모티에노[3,4-b]티오펜-2-일(페닐)메타논 0.100 mmol 및 5-에톡시-5-옥소펜틸-4,6-디브로모티에노[3,4-b]티오펜-2-카르복실레이트(5-ethoxy-5-oxopentyl-4,6-dibromothieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate) 0.300 mmol을 DMF/톨루엔(부피비=1:4) 8 ml에 넣고, 이어서 촉매로 Pd(PPh3)4 0.017 mmol을 넣고 120℃의 온도에서 6시간 동안 교반하여 전자 공여체 고분자를 제조한다. 상기 제조한 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량은 31000이다.
실시예
3: 전자 공여체 고분자의 제조
2,6-비스(트리메틸틴)-1,8-비스((2-에틸헥실)옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜 0.500 mmol, 4,6-디브로모티에노[3,4-b]티오펜-2-일(페닐)메타논 0.250 mmol, 5-에톡시-5-옥소펜틸-4,6-디브로모티에노[3,4-b]티오펜-2-카르복실레이트 0.250 mmol, DMF/톨루엔(부피비=1:4) 10 ml, 및 Pd(PPh3)4 0.020 mmol을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 전자 공여체 고분자를 제조한다. 상기 제조한 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량은 25000이다.
실시예
4: 전자 공여체 고분자의 제조
4,6-디브로모티에노[3,4-b]티오펜-2-일(페닐)메타논 0.300 mmol 및 5-에톡시-5-옥소펜틸-4,6-디브로모티에노[3,4-b]티오펜-2-카르복실레이트 0.100 mmol을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 전자 공여체 고분자를 제조한다. 상기 제조한 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량은 32000이다.
비교예
1: 전자 공여체 고분자의 제조
하기 반응식 3으로 표시되는 바에 따라 전자 공여체 고분자를 제조한다.
[반응식 3]
2,6-비스(트리메틸틴)-1,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(2,6-bis(trimethyltin)-1,8-bis(octyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene) 0.250 mmol 및 도데실카르복시-6-디브로모-티에노[3,4-b]티오펜(dodecyl carboxy-6-dibromo-thieno[3,4-b]thiophene) 0.250 mmol을 DMF/톨루엔(부피비=1:4) 5 ml에 넣고, 이어서 촉매로 Pd(PPh3)4 0.010 mmol을 넣고 120℃의 온도에서 6시간 동안 교반하여 전자 공여체 고분자를 제조한다. 상기 제조한 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량은 40000이다.
비교예
2: 전자 공여체 고분자의 제조
하기 반응식 4로 표시되는 바에 따라 전자 공여체 고분자를 제조한다.
[반응식 4]
2,6-비스(트리메틸틴)-1,8-비스((2-에틸헥실)옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜 0.250 mmol 및 2-에틸헥실 카르복시-6-디브로모-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜(2-ethylhexyl carboxy-6-dibromo-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene) 0.250 mmol을 DMF/톨루엔(부피비=1:4) 5 ml에 넣고, 이어서 촉매로 Pd(PPh3)4 0.010 mmol을 넣고 120℃의 온도에서 6시간 동안 교반하여 전자 공여체 고분자를 제조한다. 상기 제조한 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량은 20000이다.
비교예
3: 전자 공여체 고분자의 제조
하기 화학식 14로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자를 전자 공여체 고분자로 사용한다. 상기 전자 공여체 고분자의 수평균 분자량은 35000이다.
[화학식 14]
실시예
5: 태양 전지의 제조
먼저 1 mm 두께의 투명 유리기판을 준비한다.
이어서, 상기 투명 유리기판 위에 스퍼터링 방법으로 150 nm 두께의 ITO(indium tin oxide) 애노드를 형성한다.
이어서, 상기 ITO 애노드 위에 스핀 코팅 방법으로 30 nm 두께의 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythoiphene):poly(styrenesulfonate)) 막을 형성한 후, 1시간 동안 소성한다. 상기 스핀 코팅에는 SPIN-1200D(Midas System사제) 장비를 사용한다.
이어서, 상기 실시예 1에서 제조한 전자 공여체 고분자 8 mg과 C71-PCBM 12 mg을 클로로벤젠(chlorobenzene) 0.97 ml에 넣고, 여기에 디아이오도옥탄(diiodooctane) 0.03 mg을 넣은 후, 14 시간 동안 교반하여 혼합물을 제조한다. 상기 혼합물을 상기 PEDOT:PSS 막 위에 스핀 코팅 방법(2000 rpm)으로 80 nm 두께가 되도록 도포하여 광 활성층을 형성한다. 상기 스핀 코팅에는 SPIN-1200D(Midas System사제) 장비를 사용한다.
이어서, 상기 광 활성층 위에 열 증착(thermal evaporation) 방법으로 20 nm/80 nm 두께의 Ca/Al 캐소드를 형성한다. 상기 열 증착에는 Gvtech사의 장비를 사용한다.
이로써, 태양 전지를 제조한다.
실시예
6: 태양 전지의 제조
상기 실시예 2에서 제조한 전자 공여체 고분자 8 mg과 C71-PCBM 12 mg을 클로로벤젠(chlorobenzene) 0.97 ml에 넣고, 여기에 디아이오도옥탄(diiodooctane) 0.03 mg을 넣은 후, 14 시간 동안 교반하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 상기 PEDOT:PSS 막 위에 스핀 코팅 방법(1500 rpm)으로 30 nm 두께가 되도록 도포하여 광 활성층을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하여 태양 전지를 제조한다.
비교예
4: 태양 전지의 제조
상기 비교예 1에서 제조한 전자 공여체 고분자 12 mg과 C71-PCBM 12 mg을 클로로벤젠(chlorobenzene) 0.97 ml에 넣고, 여기에 디아이오도옥탄(diiodooctane) 0.03 mg을 넣은 후, 14 시간 동안 교반하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 상기 PEDOT:PSS 막 위에 스핀 코팅 방법(2500 rpm)으로 100 nm 두께가 되도록 도포하여 광 활성층을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하여 태양 전지를 제조한다.
비교예
5: 태양 전지의 제조
상기 비교예 2에서 제조한 전자 공여체 고분자 10 mg과 C71-PCBM 15 mg을 클로로벤젠(chlorobenzene) 0.97 ml에 넣고, 여기에 디아이오도옥탄(diiodooctane) 0.03 mg을 넣은 후, 14 시간 동안 교반하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 상기 PEDOT:PSS 막 위에 스핀 코팅 방법(1500 rpm)으로 100 nm 두께가 되도록 도포하여 광 활성층을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하여 태양 전지를 제조한다.
비교예
6: 태양 전지의 제조
상기 비교예 3의 전자 공여체 고분자 20 mg과 C71-PCBM 20 mg을 디클로로벤젠(dichlorobenzene) 1 ml에 넣은 후, 14 시간 동안 교반하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 상기 PEDOT:PSS 막 위에 스핀 코팅 방법(800 rpm)으로 200 nm 두께가 되도록 도포하여 광 활성층을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하여 태양 전지를 제조한다.
시험예
1:
IR
측정
상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 3의 전자 공여체 고분자 각각에 대하여, Bio Rad FTS 6000 FTIR spectrometer를 사용하여 ATR 방법에 따라 IR 스펙트럼을 얻었다. 이 중, 상기 실시예 1의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼을 도 2에 나타내고, 상기 실시예 2의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼을 도 3에 나타내고, 상기 비교예 1의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼을 도 4에 나타내고, 상기 비교예 2의 전자 공여체 고분자에 대한 IR 스펙트럼을 도 5에 나타낸다.
도 2에 나타난 바에 의하면, 방향족 C-H를 나타내는 2956 cm-1 피크, 지방족 C-H를 나타내는 2852 cm-1 피크, C=C 신축(C=C stretching)을 나타내는 1516 cm-1 피크, 그리고 페닐메타논(phenylmethanone)을 나타내는 1640 cm-1 및 C-O 신축(C-O stretching)을 나타내는 1276 cm- 1와 1028 cm-1 피크가 나타남을 확인할 수 있어, 상기 실시예 1의 전자 공여체 고분자는 상기 반응식 1에 따른 결과물임을 확인할 수 있다.
도 3에 나타난 바에 의하면, 방향족 C-H를 나타내는 2956 cm-1 피크, C=C 신축(C=C stretching)을 나타내는 2856 cm-1 피크, 페닐메타논(phenylmethanone)의 C=O를 나타내는 1637 cm-1 피크, 그리고 5-에톡시-5-옥소펜틸 카르복실(5-ethoxy-5-oxopentyl carboxyl)기의 C=O를 나타내는 1714 cm-1 피크 및 C-O 신축(C-O stretching)을 나타내는 1280 cm- 1와 1045 cm-1 피크가 나타남을 확인할 수 있어, 상기 실시예 2의 전자 공여체 고분자는 상기 반응식 2에 따른 결과물임을 확인할 수 있다.
도 4에 나타난 바에 의하면, 방향족 C-H를 나타내는 2924cm-1 피크, 지방족 C-H를 나타내는 2852 cm-1 피크, 티에노[3,4-b]티오펜(thieno[3,4-b]thiophene)의 C=O를 나타내는 1710 cm-1 피크, 및 C-O 신축(C-O stretching)을 나타내는 1276 cm- 1와 1045 cm-1 피크가 나타남을 확인할 수 있어, 상기 비교예 1의 전자 공여체 고분자는 상기 반응식 3에 따른 결과물임을 확인할 수 있다.
도 5에 나타난 바에 의하면, 방향족 C-H를 나타내는 2922 cm-1 피크, 지방족 C-H를 나타내는 2852 cm- 1피크, 티에노[3,4-b]티오펜(thieno[3,4-b]thiophene)의 C=O를 나타내는 1710 cm-1 피크, 그리고 C-O 신축(C-O stretching)을 나타내는 1276 cm-1와 1045 cm-1 피크가 나타남을 확인할 수 있어, 상기 비교예 2의 전자 공여체 고분자는 상기 반응식 4에 따른 결과물임을 확인할 수 있다.
시험예
2:
밴드갭
측정
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 3의 전자 공여체 고분자 각각에 대하여, 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)으로 HOMO 레벨, LUMO 레벨 및 밴드갭을 측정한다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
| HOMO(eV) | LUMO(eV) | 밴드갭(eV) | |
| 실시예 1 | -4.96 | -3.37 | 1.59 |
| 실시예 2 | -5.275 | -3.675 | 1.6 |
| 실시예 3 | -5.32 | -3.75 | 1.57 |
| 실시예 4 | -5.3 | -3.75 | 1.55 |
| 비교예 1 | -5.3 | -3.66 | 1.64 |
| 비교예 2 | -4.83 | -3.2 | 1.63 |
| 비교예 3 | -4.97 | -3.07 | 1.9 |
상기 표 1에 나타난 바에 의하면, 상기 실시예 1 내지 4의 전자 공여체 고분자는 상기 비교예 1 내지 3의 전자 공여체 고분자보다 작은 밴드갭을 가짐을 확인할 수 있고, 포함하는 반복단위의 몰비를 조절함으로써 밴드갭을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
이는 상기 실시예 1 내지 4의 전자 공여체 고분자가 평면 구조의 방향족 유기기를 포함함으로써 전자 당김 효과를 나타낸 결과이다.
시험예
3: 태양 전지 효율 평가
상기 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 4 내지 8의 태양 전지에 대하여, customized (vertical beam direction) 300W Solar Simulator(Newport사제) 장비와 Keithley 2400(Keithley사제) 장비를 사용하여 I-V 곡선을 얻는다. 이 중, 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 4 내지 6의 태양 전지의 I-V 곡선을 도 6에 나타낸다.
상기 I-V 곡선으로부터 얻은 단락전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 충진인자(fill factor, FF) 및 광전변환효율을 하기 표 2에 나타낸다.
| 단락전류밀도 (mA/cm2) |
개방전압 (mV) |
충진인자 (%) |
광전변환효율 (%) |
|
| 실시예 5 | 12.3 | 665.5 | 55.6 | 4.47 |
| 실시예 6 | 15.3 | 655.5 | 59.7 | 6.00 |
| 비교예 4 | 10.9 | 618.2 | 62.2 | 4.19 |
| 비교예 5 | 10.2 | 709.1 | 61.6 | 4.46 |
| 비교예 6 | 9.0 | 628.3 | 63.7 | 3.60 |
상기 표 2에 나타난 바에 의하면, 실시예 5 및 6의 태양 전지는 비교예 4 내지 6의 태양 전지보다 단락전류밀도가 크고 광전변환효율이 우수함을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 유기 태양 전지, 10: 기판,
20: 하부 전극, 30: 광 활성층,
40: 상부 전극
20: 하부 전극, 30: 광 활성층,
40: 상부 전극
Claims (19)
- 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위, 그리고 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 포함하는 반복단위 A
를 포함하는 전자 공여체 고분자:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 또는 상기 R1 및 R2에 포함되는 적어도 하나의 CH2 그룹이 -O-, -S-, -SO2-, -CO-, -OCO-, -COO-, -C=C-, -C≡C-, 또는 -SiR101R102(여기서 R101 및 R102는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임)로 치환될 수 있으며,
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 2 내지 4에서,
Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 전자 흡인기(electron withdrawing group)이고,
n1은 1 내지 5의 정수이고,
n2는 0 내지 3의 정수이고, n3은 0 내지 4의 정수이며, n2+n3은 1 내지 5의 정수이고,
n4는 0 내지 3의 정수이고, n5는 0 내지 2의 정수이고, n6은 0 내지 4의 정수이며, n4+n5+n6은 1 내지 5의 정수이고,
R4, R6, R7 및 R9 내지 R11은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 또는 상기 R4, R6, R7 및 R9 내지 R11에 포함되는 적어도 하나의 CH2 그룹이 -O-, -S-, -SO2-, -CO-, -OCO-, -COO-, -C=C-, -C≡C- 또는 -SiR103R104(여기서 R103 및 R104는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임)로 치환될 수 있고,
R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 -SR105이고, 여기서 R105는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
m4은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수이고,
m6 및 m9는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,
m7 및 m11은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,
m10은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이다.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 흡인기는 -CF3, -CCl3, -CBr3, -CI3, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -NO, -CN, -COCH3, -CO2C2H5, -SO3, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 금속 설포네이트로부터 유도된 잔기(여기서, 상기 금속은 1족 금속 또는 2족 금속임), 또는 C2 내지 C30 방향족 유기기인 것인 전자 공여체 고분자.
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
상기 R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고,
상기 화학식 2 내지 4에서,
상기 Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN이고,
상기 n1은 1 내지 5의 정수이고,
상기 n2는 0 내지 3의 정수이고, 상기 n3은 0 내지 4의 정수이며, 상기 n2+n3은 1 내지 5의 정수이고,
상기 n4는 0 내지 3의 정수이고, 상기 n5는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n6은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n4+n5+n6은 1 내지 5의 정수이고,
상기 R4, R6, R7 및 R9 내지 R11은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고,
상기 R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고,
상기 m4은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수이고,
상기 m6 및 m9는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,
상기 m7 및 m11은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,
상기 m10은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수인 것인 전자 공여체 고분자.
- 제1항에 있어서,
상기 반복단위 A는 하기 화학식 7-1로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 7-2로 표시되는 반복단위, 하기 7-3으로 표시되는 반복단위, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 전자 공여체 고분자:
[화학식 7-1]
[화학식 7-2]
[화학식 7-3]
상기 화학식 7-1 내지 7-3에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고,
R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고,
Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN이고,
n1은 1 또는 2의 정수이고,
n2는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n3은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n2+n3은 1 또는 2의 정수이고,
n4는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n5는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n6은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n4+n5+n6은 1 또는 2의 정수이다.
- 제4항에 있어서,
상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기이고,
상기 R1 내지 R3, R5 및 R8은 수소이고,
상기 Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN인 것인 전자 공여체 고분자.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 공여체 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 1:1 내지 1:1.4의 몰비로 포함하는 것인 전자 공여체 고분자.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 공여체 고분자는 1,000 내지 800,000의 수평균 분자량을 가지는 것인 전자 공여체 고분자.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 공여체 고분자는 1.2 eV 내지 2.5 eV의 밴드갭을 가지는 것인 전자 공여체 고분자.
- 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위, 그리고 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나의 반복단위를 포함하는 반복단위 A; 및
하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 9로 표시되는 반복단위를 포함하는 반복단위 B
를 포함하는 전자 공여체 고분자:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 또는 상기 R1 및 R2에 포함되는 적어도 하나의 CH2 그룹이 -O-, -S-, -SO2-, -CO-, -OCO-, -COO-, -C=C-, -C≡C-, 또는 -SiR101R102(여기서 R101 및 R102는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임)로 치환될 수 있으며,
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 2 내지 4에서,
Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 전자 흡인기(electron withdrawing group)이고,
n1은 1 내지 5의 정수이고,
n2는 0 내지 3의 정수이고, n3은 0 내지 4의 정수이며, n2+n3은 1 내지 5의 정수이고,
n4는 0 내지 3의 정수이고, n5는 0 내지 2의 정수이고, n6은 0 내지 4의 정수이며, n4+n5+n6은 1 내지 5의 정수이고,
R4, R6, R7 및 R9 내지 R11은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 또는 상기 R4, R6, R7 및 R9 내지 R11에 포함되는 적어도 하나의 CH2 그룹이 -O-, -S-, -SO2-, -CO-, -OCO-, -COO-, -C=C-, -C≡C- 또는 -SiR103R104(여기서 R103 및 R104는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임)로 치환될 수 있고,
R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 -SR105이고, 여기서 R105는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
m4은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수이고,
m6 및 m9는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,
m7 및 m11은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,
m10은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이고,
[화학식 9]
상기 화학식 9에서,
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 하이드록시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 티올기, 또는 -SR107이고, 여기서 R107은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 방향족 유기기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이다.
- 제9항에 있어서,
상기 전자 흡인기는 -CF3, -CCl3, -CBr3, -CI3, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -NO, -CN, -COCH3, -CO2C2H5, -SO3, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 금속 설포네이트로부터 유도된 잔기(여기서, 상기 금속은 1족 금속 또는 2족 금속임), 또는 C2 내지 C30 방향족 유기기인 것인 전자 공여체 고분자.
- 제9항에 있어서,
상기 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기는 하기 화학식 10-1 또는 10-2로 표시되는 작용기를 포함하는 것인 전자 공여체 고분자:
[화학식 10-1]
[화학식 10-2]
상기 화학식 10-1 및 10-2에서,
X5 내지 X7은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 2가의 C1 내지 C20 지방족 유기기이고,
R12 및 R13은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기이다.
- 제9항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
상기 R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고,
상기 화학식 2 내지 4에서,
상기 Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 또는 할로겐이고,
상기 n1은 1 내지 5의 정수이고,
상기 n2는 0 내지 3의 정수이고, n3은 0 내지 4의 정수이며, n2+n3은 1 내지 5의 정수이고,
상기 n4는 0 내지 3의 정수이고, n5는 0 내지 2의 정수이고, n6은 0 내지 4의 정수이며, n4+n5+n6은 1 내지 5의 정수이고,
R4, R6, R7 및 R9 내지 R11은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고,
상기 R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고,
상기 m4은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수이고,
상기 m6 및 m9는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,
상기 m7 및 m11은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,
상기 m10은 각 반복단위에 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이고,
상기 화학식 9로 표시되는 반복단위는 하기 화학식 9-1로 표시되는 반복단위, 화학식 9-2로 표시되는 반복단위 또는 이들의 조합을 포함하고,
[화학식 9-1]
[화학식 9-2]
상기 화학식 9-1 및 9-2에서,
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기인 것인 전자 공여체 고분자.
- 제12항에 있어서,
상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기이고,
상기 R1 내지 R11은 수소이고,
상기 Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN이고,
상기 X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
상기 X4는 수소인 것인 전자 공여체 고분자.
- 제9항에 있어서,
상기 반복단위 A는 하기 화학식 7-1로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 7-2로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 7-3으로 표시되는 반복단위, 또는 이들의 조합을 포함하고,
상기 반복단위 B는 하기 화학식 12로 표시되는 반복단위를 포함하는 것인 전자 공여체 고분자:
[화학식 7-1]
[화학식 7-2]
[화학식 7-3]
상기 화학식 7-1 내지 7-3에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고,
R3, R5 및 R8은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고,
Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN이고,
상기 n1은 1 또는 2의 정수이고,
상기 n2는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n3은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n2+n3은 1 또는 2의 정수이고,
상기 n4는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n5는 0 내지 2의 정수이고, 상기 n6은 0 내지 2의 정수이며, 상기 n4+n5+n6은 1 또는 2의 정수이고,
[화학식 12]
상기 화학식 12에서,
X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 에스테르기, 또는 -SR100이고, 여기서 R100은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기이고,
R1 및 R2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이고,
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
X4는 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기이다.
- 제14항에 있어서,
상기 X1 및 X2는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알콕시기이고,
상기 R1 내지 R3, R5 및 R8은 수소이고,
상기 Z1 내지 Z6은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, -SO3R106(여기서, R106은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 지방족 유기기임), 할로겐, -NO2, -NO 또는 -CN이고,
X3은 각 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 2개의 에스테르 잔기와 상기 에스테르 잔기를 연결하는 치환 또는 비치환된 2가의 지방족 유기기를 함유하는 전자 수용기(electron accepting group)이고,
X4는 수소인 것인 전자 공여체 고분자.
- 제9항에 있어서,
상기 전자 공여체 고분자는 상기 반복단위 A와 상기 반복단위 B를 1:10 내지 10:1의 몰비로 포함하는 것인 전자 공여체 고분자.
- 제9항에 있어서,
상기 전자 공여체 고분자는 1,000 내지 800,000의 수평균 분자량을 가지는 것인 전자 공여체 고분자.
- 제9항에 있어서,
상기 전자 공여체 고분자는 1.2 eV 내지 2.5 eV의 밴드갭을 가지는 것인 전자 공여체 고분자.
- 서로 마주하는 애노드와 캐소드, 그리고
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하고 전자 공여체(electron donor) 및 전자 수용체(electron acceptor)를 포함하는 광 활성층
을 포함하고,
상기 전자 공여체는 상기 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 전자 공여체 고분자를 포함하는 유기 태양 전지.
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