KR101821971B1 - Electron accepting polymer of formed random terpolymer, producing method of the same and inverted type polymer solar cells comprising the same - Google Patents

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김영웅
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Abstract

The present invention relates to an electron accepting polymer in a form of a random terpolymer, and to a method producing the same and a polymer solar cell comprising the same. The present invention provides an electron accepting polymer including a terpolymer to enhance energy conversion efficiency, and specifically, energy efficiencies of all-PSCs have increased to be a state: P1 : 2.5% < P2 : 2.73% < P3 : 2.87% < P4 : 3.21% < P5 : 3.60%.

Description

랜덤 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 반전형 고분자 태양전지{Electron accepting polymer of formed random terpolymer, producing method of the same and inverted type polymer solar cells comprising the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron acceptor polymer in the form of a random terpolymer, a method for producing the same, and an inverse type polymer solar cell including the same.

본 발명은 랜덤 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 반전형 고분자 태양전지에 관한 것으로, 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자를 제공함으로써, 에너지 변환 효율을 향상시키도록 하는 랜덤 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 반전형 고분자 태양전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron acceptor polymer in the form of a random terpolymer, a process for producing the same, and an inverted polymer solar cell comprising the same. The present invention relates to an electron acceptor polymer in the form of a terpolymer, a method for producing the same, and an antiferroelectric polymer solar cell comprising the same.

유기 태양전지는 지난 10년 동안 대안 에너지로 관심을 받고 있으며, 전자 공여체 고분자와 수용체인 풀러렌(fullerene) 유도체로 구성된 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 태양전지의 에너지 전환 효율(power conversion efficiency, PCE)이 10 % 이상 향상되었다. 상기 풀러렌 유도체는 높은 전자 친화도와 높은 전자 이동성 때문에 전자 수용체로 우수한 성질을 가지고 있지만, 폭넓게 사용되고 있는 페닐-C61 부티릭산 메틸 에스터(phenyl-C61 butyricacid methyl ester)인 풀러렌은 비싼 합성 비용 및 가시광 영역에서 낮은 빛 흡수 등의 문제점을 가지고 있어서 이상적인 수용체 물질이 아니다. 또한, 상기 풀러렌의 잘 부러지는 결정(crystalline) 특성으로 인하여, 풀러렌을 기반으로 한 유기 태양전지는 낮은 유연성과 신축성을 가지고 있다.Organic solar cells have been attracting attention as an alternative energy source for the past decade and have been studied for power conversion efficiency (PCE) of bulk heterojunction (BHJ) solar cells, which consists of electron donor polymers and fullerene derivatives ) Was improved by more than 10%. Although the fullerene derivative has excellent properties as an electron acceptor because of its high electron affinity and high electron mobility, fullerene, which is a widely used phenyl-C61 butyric acid methyl ester, has a high synthesis cost and low It is not an ideal receptor substance because of problems such as light absorption. In addition, due to the crystalline nature of the fullerene, fullerene-based organic solar cells have low flexibility and stretchability.

최근에, 공액(conjugated) 전자공여체 고분자/전자수용체 고분자의 블렌드로 구성된 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells, all-PSCs)는 풀러렌을 기반으로 한 유기 태양전지를 대체할 수 있는 만큼 다양한 장점이 있어서 많은 관심을 받고 있다. 상기 다양한 장점은 (1) 전자수용체 고분자의 에너지 준위의 조절 용이성, (2) 전자공여체 고분자와 전자수용체 고분자의 동시적인 빛 흡수, 및 (3) 뛰어난 기계적/열적 특성을 가지고 있다. 특히, 나프탈렌 다이이미드(naphthalenediimide, NDI)를 기반으로 한 전자수용체 고분자는 매우 평평한 평면 구조, 우수한 전자 이동성, 및 전자공여체 고분자와 우수한 혼합성을 가지고 있어, 상기 풀러렌을 대체할 수 있다. 그러나, n-타입 전자수용체 고분자는 상기 풀러렌보다 매우 낮은 전자 이동성을 가지고 있으며, 박막에서 상기 n-타입 전자수용체 고분자의 패킹 배열은 상기 all-PSCs의 단락 회로 전류(short-circuit current, JSC)와 필 팩터(fill factor, FF) 값을 향상시키기 위해 신중한 제어가 필요하다. 고분자 기본 골격에서 세 개의 다른 단위체를 포함하는 삼원 공중합체(terpolymers)의 사용은 공여체-수용체 타입 공액 고분자의 물리적 / 광전기적 성질을 개질시키기 위한 효율적인 접근법이다. 상기 공액 고분자의 결정성과 박막에서 패킹 구조는 삼원 공중합체의 사용으로 제어할 수 있으며, 이는 전자수용체 고분자의 전자 이동성의 향상과 고성능 all-PSCs 제조에 중요한 역할을 한다. 상기 삼원 공중합체 안으로의 셀레노펜(selenophene)의 도입은 분자 내 상호작용을 상당히 많이 향상시키고, 상기 셀레노펜이 방향족(aromatic) 구조보다 퀴논형(quinoidal) 구조의 선호함으로써 고분자 사이의 전자 궤도 중첩(orbital overlap)이 잘 일어나기 때문에 매우 정돈된 고분자 구조를 유도할 수 있다. 따라서, π-공액 기본 골격 안에서 셀레노펜의 존재는 사슬간 전하 이동이 수월해져 전하 이동성에 대한 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 디케토피롤피롤(diketopyrrolopyrrole)을 기반으로 한 삼원 공중합체에서 싸이오펜(thiophene, T)과 셀레노펜(selenophene, S)의 조성비는 상기 삼원 공중합체의 결정성을 변화시키고, 향상된 에너지 변환 효율과 함께 결정성과 용해성의 사이에서 최적의 조건을 가지도록 한다. 최근에 Jenekhe's group(비특허문헌 1)은 에너지 변환 효율이 7.7 %를 가지는 NDI-셀레노펜을 기반으로 한 all-PSCs를 보고하고 있다. 상기 all-PSCs에서 셀레노펜 단위체를 사용함으로써, 그 잠재성을 알려주고 있지만, 현재까지 구조적, 전기적, 및 광전지적 특성에 관련하여 상기 n-타입고분자 안에서 셀레노펜 단위체의 결합의 효과는 명백하게 밝혀지지 않았다. Recently, all-polymer solar cells (all-PSCs) composed of a blend of conjugated electron donor polymer / electron acceptor polymers have been found to be as diverse as fullerene-based organic solar cells It has a lot of advantages because of its advantages. These various advantages have (1) ease of controlling the energy level of the electron acceptor polymer, (2) simultaneous light absorption of the electron donor polymer and the electron acceptor polymer, and (3) excellent mechanical / thermal properties. In particular, an electron acceptor polymer based on naphthalenediimide (NDI) has a very flat planar structure, excellent electron mobility, and excellent mixing with an electron donor polymer, thereby being able to replace the fullerene. However, n- type electron acceptor polymer may have a very low electron mobility than that of the fullerene, the packing arrangement of the n- type electron acceptor thin film polymer in the short-circuit current (short-circuit current, J SC) of the all-PSCs And careful control is required to improve the fill factor (FF) value. The use of terpolymers comprising three different monomers in the polymer backbone is an efficient approach to modify the physical / photoelectric properties of donor-acceptor type conjugated polymers. The crystallinity of the conjugated polymer and the packing structure in the thin film can be controlled by the use of a terpolymer, which plays an important role in improving the electron mobility of the electron acceptor polymer and in manufacturing high performance all-PSCs. The introduction of selenophene into the terpolymer significantly improves the intramolecular interactions and the selenophene is preferred to the quinoidal structure rather than the aromatic structure, orbital overlap) can occur, leading to a highly ordered polymer structure. Therefore, the presence of selenophene in the π-conjugated basic skeleton can facilitate the charge transfer between the chains, which can have an advantage in charge mobility. For example, in a tertiary copolymer based on diketopyrrolopyrrole, the composition ratio of thiophene (T) and selenophene (S) changes the crystallinity of the terpolymer, And has optimum conditions between crystallinity and solubility as well as conversion efficiency. Recently, Jenekhe's group (non-patent document 1) reports all-PSCs based on NDI-selenophene, which has an energy conversion efficiency of 7.7%. Although the use of selenophen units in all-PSCs reveals its potential, the effects of binding of selenophen units in the n-type polymer in relation to structural, electrical, and photoelectrochemical properties to date have not been clearly established .

Jenekhe, S. A. et. Al., Adv. Mater. 27, 4578-4584 (2015) Jenekhe, S. A. et. Al., Adv. Mater. 27, 4578-4584 (2015) Hou, J. et. Al., Adv. Mater. 27, 6046-6054 (2015) Hou, J. et. Al., Adv. Mater. 27, 6046-6054 (2015) Zhan, X. et. Al., Polym. Chem. 6, 5254-5263 (2015) Zhan, X. et. Al., Polym. Chem. 6, 5254-5263 (2015) Seferos, D. S. et. Al., J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 52, 3337-3345 (2014) Seferos, D. S. et. Al., J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 52, 3337-3345 (2014) Jenekhe, S. A. et. Al., Chem. Commun. 50, 10801-10804 (2014) Jenekhe, S. A. et. Al., Chem. Commun. 50, 10801-10804 (2014)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 서로 다른 조성비로 형성되어 있는 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자를 제공함으로써, 높은 에너지 변환 효율을 가지도록 하는 랜덤 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 반전형 고분자 태양전지를 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an electron acceptor polymer in the form of a terpolymer, which is formed at a different composition ratio, to provide an electron acceptor polymer in the form of a random terpolymer, And a method of manufacturing the same, and an inverted polymer solar cell including the same.

상기한 목적을 달성하기 위하여 아래 [화학식1]로 표시되는 전자 수용체 고분자를 제공한다.In order to achieve the above object, there is provided an electron acceptor polymer represented by the following formula (1).

[화학식1][Chemical Formula 1]

Figure 112016083329275-pat00001
Figure 112016083329275-pat00001

상기 x는 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1의 당량(equivalent)을 의미한다.X represents an equivalent of 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 전자 수용체 고분자의 제조방법에 있어서, 하기 단계를 포함하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing an electron acceptor polymer represented by the following formula (1), comprising the steps of:

NDI2HD, 2,5-Bis(trimethylstannyl)-thiophene(T), 및 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene(S)을 마이크로웨이브 유리병에 투입하고 자석 교반기로 교반하여 제 1 혼합물을 제조하는 단계(S1);(T), 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene (S) were added to a microwave glass bottle and stirred with a magnetic stirrer to prepare a first mixture (S1);

상기 제 1 혼합물에 Pd2(dba)3, P(o-tolyl)3 및 무수 톨루엔과 무수 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF)을 투입한 후 마이크로웨이브 반응기에 넣고 스틸레 커플링(stille coupling) 반응을 하여 제 2 혼합물을 제조하는 단계(S2);Pd 2 (dba) 3 , P ( o- toluyl) 3 and anhydrous toluene and N, N-dimethylformamide (DMF) were added to the first mixture, A step (S2) of producing a second mixture by a stille coupling reaction;

상기 제 2 혼합물을 실온에서 냉각시킨 후 알코올에 침전시키는 단계(S3);Cooling the second mixture at room temperature and precipitating in alcohol (S3);

상기 알코올에 침전된 제 2 혼합물을 유기용매로 추출 및 정제하는 단계(S4); 및 (S4) extracting and purifying the second mixture precipitated in the alcohol with an organic solvent; And

상기 정제된 제 2 혼합물을 진공상태에서 건조하는 단계(S5).And drying the purified second mixture in vacuum (S5).

[화학식1][Chemical Formula 1]

Figure 112016083329275-pat00002
Figure 112016083329275-pat00002

여기서, 상기 x는 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1의 당량(equivalent)을 의미함.Here, x represents an equivalent of 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.

본 발명은 기판, 상기 기판 상에 형성된 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성된 ZnO층, 상기 ZnO층 상에 형성되고, 상기 화학식 1로 표시되는 전자 수용체 고분자를 포함하는 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 MoO3층, 및 상기 MoO3층 상에 형성된 상부 전극을 포함하는 반전형(inverted type) 고분자 태양전지를 제공한다.The present invention relates to a semiconductor device comprising a substrate, a lower electrode formed on the substrate, a ZnO layer formed on the lower electrode, an active layer formed on the ZnO layer and including an electron acceptor polymer represented by Formula 1, 3 layers, and an upper electrode formed on the MoO 3 layer.

본 발명에 따른 랜덤 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 반전형 고분자 태양전지는 서로 다른 조성비로 형성되어 있는 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자를 제공함으로써, 높은 에너지 변환 효율을 가지는 효과가 있다.The electron acceptor polymer in the form of a random terpolymer according to the present invention, the process for producing the same, and the antireflection polymer solar cell comprising the electron acceptor polymer according to the present invention can provide the electron acceptor polymer in the form of a terpolymer, .

도 1(a) ~ (e)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 수소 핵자기 공명 스펙트럼(1H NMR spectra, 300 MHz, 0-dichlorobenzen-d4, CDCl3, 100℃)이다.
도 2(a)는 본 발명에 따라 클로로포름 용액에 희석된 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 자외선-가시광선 흡수스펙트럼이고, 도 2(b)는 본 발명에 따라 박막에서 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 자외선-가시광선 흡수스펙트럼이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5) 필름에 대한 순환 전압전류법(Cyclic voltammograms, CV)을 사용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)와 PTB7의 에너지 준위 다이어그램 비교그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5) 순수한 필름의 GIXD 패턴이미지이다. (a) P(NDI2HD-T100), (b) P(NDI2HD-T80S20), (c)P(NDI2HD-T50S50), (d) P(NDI2HD-T20S80), (e)P(NDI2HD-S100)
도 6(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5) 순수한 필름의 2D GIXD 이미지의 평면 내 라인-컷 그래프이고, 도 6(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5) 순수한 필름의 2D GIXD 이미지의 평면 외 라인-컷 그래프이다.
도 7(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5):PTB7를 기반으로 한 BHJ형 all-PSCs의 J-V 곡선그래프이고, 도 7(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5):PTB7를 기반으로 한 BHJ형 all-PSCs의 EQE 스펙트럼이며, 도 7(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체에서 셀레노펜의 함량에 따른 Jsc와 PCE의 경향을 나타내는 그래프이다.
도 8은 최적화된 소자의 조건에서 PTB7을 가지고 블렌드한 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원공중합체(P1 ~ P5)필름의 자외선-가시광선 흡수스펙트럼이다.
도 9는 암실에서 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 공간-전하-제한(space-charge-limited) J-V 곡선그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5) 에 PTB7이 포함된 블렌드의 AFM 이미지(height images)를 나타낸다(스케일바는1㎛). 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5) 필름에서 제곱 평균 제곱근(root mean square) 거칠기는 (a) 0.61 nm (P1), (b) 0.68 nm (P2), (c) 0.79 nm (P3), (d) 0.69 nm (P4), (e) 0.88 nm (P5)이다.
1 (a) to 1 (e) show the hydrogen nuclear magnetic resonance spectra ( 1 H NMR spectra, 300 MHz, 0-dichlorobenzene-d 4 ) of the terpolymers P1 to P5 having various composition ratios according to an embodiment of the present invention , CDCl 3, 100 ° C).
2 (a) is an ultraviolet-visible light absorption spectrum of ternary copolymers P1 to P5 having various composition ratios diluted in a chloroform solution according to the present invention, and FIG. 2 (b) And ultraviolet-visible light absorption spectra of the terpolymers (P1 to P5).
3 is a graph showing a result of measurement using cyclic voltammograms (CV) on films of various kinds of terpolymers (P1 to P5) according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a comparison of energy level diagrams of PTB7 and terpolymers (P1 to P5) having various composition ratios according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a GIXD pattern image of pure films of various composition ratios of terpolymers (P1 to P5) according to an embodiment of the present invention. (a) P (NDI2HD-T 100), (b) P (NDI2HD-T 80 S 20), (c) P (NDI2HD-T 50 S 50), (d) P (NDI2HD-T 20 S 80), (e) P (NDI2HD- S100 )
6 (a) is an in-plane line-cut graph of a 2D GIXD image of pure films of terpolymers (P1 to P5) of various composition ratios according to an embodiment of the present invention, and Fig. 6 (b) 3 is an out-of-plane line-cut graph of a 2D GIXD image of a pure film of terpolymers (P1 to P5) of various composition ratios according to an embodiment.
FIG. 7 (a) is a JV curve graph of BHJ-type all-PSCs based on PTB7 of a terpolymer (P1 to P5) having various composition ratios according to an embodiment of the present invention, FIG. 7 (c) is a graph showing the EQE spectra of BHJ-type all-PSCs based on PTB7 based on terpolymers (P1 to P5) having various composition ratios according to an embodiment of the present invention. Graphs showing the tendency of Jsc and PCE according to the content of selenophene in the terpolymer.
FIG. 8 is an ultraviolet-visible light absorption spectrum of a terpolymer (P1 to P5) film having various composition ratios according to an embodiment of the present invention blended with PTB7 under the conditions of an optimized device.
FIG. 9 is a space-charge-limited JV curve graph of the three-way copolymers P1 to P5 of various composition ratios according to an embodiment of the present invention in the dark room.
10 shows height images of a blend containing PTB7 in terpolymers (P1 to P5) of various composition ratios according to an embodiment of the present invention (scale bar is 1 m). The root mean square roughness of the tri-copolymer (P1 to P5) films of various composition ratios according to an embodiment of the present invention is (a) 0.61 nm (P1), (b) 0.68 nm (P2) c) 0.79 nm (P3), (d) 0.69 nm (P4), and (e) 0.88 nm (P5).

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다. 본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 용어는 "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.The term " step "or" step of ~ " used throughout the specification does not mean "step for. Throughout this specification, the terms "A and / or B" mean "A or B, or A and B ".

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination thereof" included in the expression of the machine form means one or more combinations or combinations selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the machine form, And the like.

이하 본 발명에 따른 랜덤 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 태양전지의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to inform.

본 발명에 따른 랜덤 삼원 공중합체 형태의 전자 수용체 고분자는 아래 [화학식1]로 표시되는 전자 수용체 고분자를 제공한다.The electron acceptor polymer in the form of a random terpolymer according to the present invention provides an electron acceptor polymer represented by the following formula (1).

[화학식1][Chemical Formula 1]

Figure 112016083329275-pat00003
Figure 112016083329275-pat00003

상기 x는 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1의 당량(equivalent)을 의미한다.X represents an equivalent of 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.

상기 전자 수용체 고분자는 전자-부족(electron-deficient) NDI2HD 단위체와 전자-풍부(electron-rich) 2,5-bis(trimethylstannyl)-thiophene(T)과 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene(S)의 단위체로 형성되며, 상기 NDI2HD의 기본 골격에 2,5-bis(trimethylstannyl)-thiophene(T)과 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene(S)의 조성비를 다르게 형성하여 P(NDI2HD-T100) (P1), P(NDI2HD-T80-S20) (P2), P(NDI2HD-T50-S50) (P3), P(NDI2HD-T20-S80) (P4), 및 P(NDI2HD-S100) (P5) 전자 수용체 고분자를 제공한다. The electron acceptor polymers include electron-deficient NDI 2H units and electron-rich 2,5-bis (trimethylstannyl) -thiophene (T) and 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene ), And the composition ratio of 2,5-bis (trimethylstannyl) -thiophene (T) and 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene (S) are differently formed in the basic skeleton of NDI2HD to form P (NDI2HD- T 100) (P1), P (NDI2HD-T 80 -S 20) (P2), P (NDI2HD-T 50 -S 50) (P3), P (NDI2HD-T 20 -S 80) (P4), and P (NDI2HD-S1 00 ) (P5) electron acceptor polymer.

또한, 상기 NDI2HD의 기본 골격에서 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene(S)의 조성비가 증가할수록 삼원 공중합체(terpolymers)의 결정성이 향상되며, 상기 결정성의 향상으로 전자 수용체 고분자의 패킹 구조와 분자 간의 전하 이동이 향상된다. In addition, as the composition ratio of 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene (S) increases in the basic skeleton of NDI2HD, the crystallinity of terpolymers improves, and as a result of the improvement of the crystallinity, And charge transfer between molecules is improved.

또한, 상기 전자 수용체 고분자는 반전형 고분자 태양전지의 활성층에 포함되어 에너지 변환 효율을 향상시킨다.In addition, the electron acceptor polymer is included in an active layer of an inversion-type polymer solar cell to improve energy conversion efficiency.

본 발명은 아래 [반응식 1]로 표시되는 바와 같이,The present invention relates to a process for the preparation of a compound of formula

화학식 2(NDI2HD), 화학식 3(2,5-Bis(trimethylstannyl)-thiophene, T), 및 화학식 4(2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene, S)를 출발물질로 하여 NDI2HD : TX : S1-X의 조성비로 마이크로웨이브 유리병에 투입하고 자석 교반기로 교반하여 혼합물 1을 제조하는 단계(S1)와, 상기 제 1 혼합물에 Pd2(dba)3, P(o-tolyl)3 및 무수 톨루엔과 무수 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF)을 투입한 후 마이크로웨이브 반응기에 넣고 Stille coupling 반응을 하여 제 2 혼합물을 제조하는 단계(S2)와, 상기 제 2 혼합물을 실온에서 냉각을 시킨 후 알코올에 침전시키는 단계(S3)와, 상기 알코올에 침전된 제 2 혼합물을 속슬렛(Soxhlet) 추출법을 이용하여 유기용매인 메탄올, 헥산, 아세톤, 및 클로로포름을 가지고 순차적으로 추출하여 정제하는 단계(S4) 및 상기 정제된 제 2 혼합물을 진공상태에서 건조하여 화학식 1로 표시되는 전자 수용체 고분자의 제조방법을 제공한다.Formula 2 (NDI2HD), Formula 3 (2,5-Bis (trimethylstannyl) -thiophene, T), and general formula 4 (2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene, S) as a starting material by the NDI2HD: T X: a composition ratio of 1-X S in a microwave vial, and the step (S1) for stirring the mixture to prepare a 1 by the magnetic stirrer, wherein the Pd 2 (dba) to 1 mixture of 3, P (o -tolyl) 3, and (S2) adding anhydrous toluene and anhydrous N, N-dimethylformamide (DMF) into a microwave reactor and performing a Stille coupling reaction to prepare a second mixture, (S3) of cooling the mixture at room temperature and precipitating the alcohol in the alcohol; and a step (S3) of precipitating the second mixture precipitated in the alcohol, using Soxhlet extraction method, with methanol, hexane, acetone and chloroform Extracting and purifying the purified second mixture (S4) and drying the purified second mixture in a vacuum W provides a method for producing an electron acceptor polymer represented by the general formula (1).

상기 x는 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1의 당량(equivalent)을 의미한다. X represents an equivalent of 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112016083329275-pat00004
Figure 112016083329275-pat00004

상기 반응식 1에서 보는 바와 같이, 상기 전자 수용체 고분자는 스틸레 커플링(Stille coupling) 반응을 이용하여, 2,5-bis(trimethylstannyl)-thiophene(T)과 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene(S)의 조성비에 따라 P(NDI2HD-T100) (P1), P(NDI2HD-T80-S20) (P2), P(NDI2HD-T50-S50) (P3), P(NDI2HD-T20-S80) (P4), 및 P(NDI2HD-S100) (P5) 전자 수용체 고분자를 제조한다. 상기 전자 수용체 고분자는 클로로포름에 침전시킨 후 유기용매인 메탄올, 헥산, 아세톤, 및 클로로포름을 가지고 속슬레(Soxhlet) 추출법으로 추출한다.As shown in Reaction Scheme 1, the electron acceptor polymer was synthesized by the reaction of 2,5-bis (trimethylstannyl) -thiophene (T) with 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene depending on the composition ratio of the (S) P (NDI2HD-T 100) (P1), P (NDI2HD-T 80 -S 20) (P2), P (NDI2HD-T 50 -S 50) (P3), P (NDI2HD- T 20 -S 80 ) (P4), and P (NDI2HD- S100 ) (P5) electron acceptor polymer. The electron acceptor polymer is precipitated in chloroform and then extracted with Soxhlet extraction method using organic solvents such as methanol, hexane, acetone, and chloroform.

상기 P1 ~ P5 전자 수용체 고분자의 무게 평균 분자량(weight-average molecular weight, Mw), 수 평균 분자량(, number-average molecular weight, Mn) 및 다분산 지수(polydispersity index, PDI)는 용리액인 o-디클로로벤젠을 가지고 80 ℃에서 SEC로 측정하였고, 그 결과를 하기 표1에 정리하였다. P1 ~ P5 전자 수용체 고분자의 무게 평균 분자량(weight-average molecular weight, Mw)은 112 ~ 160 kg/mol이며, 수 평균 분자량(number-average molecular weight, Mn)은 53 ~ 74 kg/mol이고, 다분산 지수(polydispersity index, PDI)는 2.1 ~ 2.4이다.The weight-average molecular weight (Mw), the number-average molecular weight (Mn), and the polydispersity index (PDI) of the P1 to P5 electron acceptor polymers were measured using o- Benzene was measured with SEC at 80 DEG C, and the results are summarized in Table 1 below. The weight average molecular weight (Mw) of the P1 to P5 electron acceptor polymers is 112 to 160 kg / mol and the number-average molecular weight (Mn) is 53 to 74 kg / mol. The polydispersity index (PDI) is 2.1 to 2.4.

PolymersPolymers Mn Mn
(kg/(kg / molmol )) aa
Mw Mw
(kg/(kg / molmol )) aa
PDIPDI
(Mw/Mn)(Mw / Mn) aa
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 100100 ))
(P1)(P1)
5454 114114 2.102.10
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 8080 -S-S 2020 ))
(P2)(P2)
7474 154154 2.082.08
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 5050 -S-S 5050 ))
(P3)(P3)
5353 112112 2.102.10
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 2020 -S-S 8080 ))
(P4)(P4)
6969 147147 2.132.13
P(P ( NDI2HDNDI2HD -S-S 100100 ))
(P5)(P5)
6767 160160 2.402.40

a : 폴리스티렌 표준치로 보정된 SEC 측정값.a: SEC measured value corrected to polystyrene standard value.

상기 전자 수용체 고분자에서 2,5-bis(trimethylstannyl)-thiophene(T)과 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene(S) 사이의 실제 조성비를 알기 위해 도 1(a) ~ (e)에서 보는 바와 같이, 수소 핵자기공명 분광법(1H NMR spectroscopy )으로 분석하였고, 원소 성분 분석(elemental analysis, EA)은 하기 표 2에 요약하였다. 상기 전자 수용체 고분자에서 실제 T/S의 비는 T(7.56 ppm)와 S(7.74 ppm)에 대응하는 피크를 비교하여 확인된다(도 1(a) ~ (e) 참조). 또한, 상기 P2 ~ P4의 삼원 공중합체에서 원소 성분 분석으로부터 T/S의 비는 탄소 원자와 황 원자의 비를 비교함으로써 확인된다. 상기 NMR과 EA의 분석으로부터 본 발명의 전자 수용체 고분자의 실제 T/S의 비를 하기 표 3에 정리하였다.To determine the actual composition ratio between 2,5-bis (trimethylstannyl) -thiophene (T) and 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene (S) in the electron acceptor polymer, ( 1 H NMR spectroscopy), and elemental analysis (EA) was summarized in Table 2 below. &Lt; tb &gt;&lt; TABLE &gt; The ratio of the actual T / S in the electron acceptor polymer is confirmed by comparing peaks corresponding to T (7.56 ppm) and S (7.74 ppm) (see FIGS. 1 (a) to (e)). Further, the ratio of T / S from the elemental component analysis in the above-mentioned ternary copolymer of P2 to P4 is confirmed by comparing the ratio of carbon atoms to sulfur atoms. From the NMR and EA analyzes, the ratio of the actual T / S of the electron acceptor polymer of the present invention is summarized in Table 3 below.

PolymersPolymers CC HH NN SS P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 100100 ))
(P1)(P1)
MeasuredMeasured 66.8466.84 7.507.50 1.931.93 13.4113.41
CalculatedCalculated 66.9266.92 7.547.54 2.052.05 14.1014.10 P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 8080 -S-S 2020 ))
(P2)(P2)
MeasuredMeasured 67.1167.11 7.337.33 1.911.91 14.7114.71
CalculatedCalculated 67.5267.52 7.027.02 1.871.87 17.1717.17 P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 5050 -S-S 5050 ))
(P3)(P3)
MeasuredMeasured 67.9367.93 7.227.22 1.751.75 16.4616.46
CalculatedCalculated 67.5267.52 7.027.02 1.871.87 17.1717.17 P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 2020 -S-S 8080 ))
(P4)(P4)
MeasuredMeasured 68.1268.12 7.067.06 1.691.69 17.5617.56
CalculatedCalculated 67.5267.52 7.027.02 1.871.87 17.1717.17 P(P ( NDI2HDNDI2HD -S-S 100100 ))
(P5)(P5)
MeasuredMeasured 67.5867.58 6.796.79 1.671.67 18.9618.96
CalculatedCalculated 67.8567.85 6.816.81 1.721.72 19.6919.69

PolymersPolymers Feed ratioFeed ratio
(T : S)(T: S)
Actual ratioActual ratio
(NMR)(NMR)
Actual ratioActual ratio
(( EAEA ))
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 8080 -S-S 2020 ))
(P2)(P2)
4 : 14: 1 4.05 : 14.05: 1 3.32 : 13.32: 1
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 5050 -S-S 5050 ))
(P3)(P3)
1 : 11: 1 1.03 : 11.03: 1 1 : 1.071: 1.07
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 2020 -S-S 8080 ))
(P4)(P4)
1 : 41: 4 1 : 3.831: 3.83 1 : 4.341: 4.34

재료material

NDI2HD (4,9-Dibromo-2,7-bis(2-hexyldecyl)benzo[lmn][3,8]-phenanthroline-1,3,6,8-tetraone, 4,9-디브로모-2,7-비스(2-헥실데실)벤조[lmn][3,8]-페난트롤린-1,3,6,8-테트라온)는 수나테크(Suzhou, Jiangsu, China)에서 구입을 했고, 2,5-Bis(trimethylstannyl)-thiophene(2,5-비스(트리메틸스탠닐)-싸이오펜)과 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene(2, 5-비스(트리메틸스탠닐)-셀레노펜)은 비특허문헌 6(Kim, B. J. et. al., Chem. Mater. 26, 6963-6970 (2014))에 따라 합성을 하여 사용했으며, PTB7(the number-average molecular weight (Mn) =14 kg/mol, weight-average molecular weight (Mw)=28 kg/mol, polydispersity index (PDI)=1.94)은 1 머터리얼즈(Dorval, Quebec, Canada)로부터 구입을 했다. 1 Materials Inc. 그 밖의 화학물질은 시그마-알드리치로부터 구입을 했으며, 추가적인 정제 없이 사용하였다.NDI2HD (4,9-Dibromo-2,7-bis (2-hexyldecyl) benzo [lnn] [3,8] -phenanthroline-1,3,6,8-tetraone, 4,9- 7-bis (2-hexyldecyl) benzo [lmn] [3,8] -phenanthroline-1,3,6,8-tetraone) was purchased from Suzhou, Jiangsu, , 5-Bis (trimethylstannyl) -thiophene and 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene (2,5-bis (trimethylstannyl) Average molecular weight (Mn) = 14 kg / m &lt; 2 &gt;) was used according to the method described in Non-Patent Document 6 (Kim, BJ et al., Chem. Mater. 26, 6963-6970 mol, weight-average molecular weight (Mw) = 28 kg / mol and polydispersity index (PDI) = 1.94) were purchased from 1 material (Dorval, Quebec, Canada). 1 Materials Inc. Other chemicals were purchased from Sigma-Aldrich and used without further purification.

분석기기Analytical instrument

수소 핵자기공명 스펙트럼(1H NMR spectra)을 측정하기 위해 CDCl3 또는 o-dichlorobenzene-d4 용매를 사용하여 액체상 300 MHz 핵자기 공명 분광기(Bruker)를 사용하였고, 합성된 고분자 Mn, Mw, 및 PDI는 Waters 1515 등용매(isocratic) HPLC 펌프와 온도 조절 모듈, 그리고 Waters 2414 굴절률 검출기가 구비된 SEC (Size Exclusion Chromatography) 시스템에 의하여 측정되었다. 이때, 섭씨 80도에서 o-디클로로벤젠을 용리액(eluent)으로 하여 폴리스티렌 표준(standard)을 사용하였으며(흐름 속도 : 1mL/min), 자외선-가시광선 흡수스펙트럼은 UV-1800 분광기(Shimadzu Scientific Instruments)를 가지고 상온에서 희석된 클로로포름 용액(10-6 M)과 고체 상태의 필름으로부터 측정하였고, 순환 전압전류법 (cyclic voltammetry , CV)은 CHI 600C 전기-화학 분석기기를 이용하여 0.1 M Bu4NPF6(tetrabutylammonium hexafluorophosphate, 테트라부틸암모늄 헥사플루오르인산염)을 포함한 무수 아세토니트릴에서 백금 디스크 작업전극, 백금 상대전극, 및 은 와이어 유사-기준전극을 가지고 50 mV/s 스캔 속도로 측정하였으며, GIXS는 포항 가속기 연구소에 있는 빔라인으로 수행하였으며, 상기 GIXS 시료는 실리콘 기판 위에 스핀 코팅하여 준비하고, 1.1179 Å 파장을 가진 X-ray는 ~0.12 °입사각으로 GIXS 시료를 측정하였고, AFM은 태핑 모드에서 Veeco Dimension 3100 기기를 가지고 측정하였다. Using CDCl 3 or o-dichlorobenzene-d 4 solvent to measure the hydrogen nuclear magnetic resonance spectra (1 H NMR spectra) the liquid phase The synthesized polymers Mn, Mw, and PDI were analyzed using a Waters 1515 isocratic HPLC pump and temperature control module, and a SEC (Size Exclusion Chromatography) with a Waters 2414 refractive index detector, using a 300 MHz nuclear magnetic resonance spectrometer (Bruker) ) System. The ultraviolet-visible light absorption spectrum was measured with a UV-1800 spectrophotometer (Shimadzu Scientific Instruments) using polystyrene standards (flow rate: 1 mL / min) with o- dichlorobenzene as eluent at 80 deg. (10 -6 M) diluted at room temperature and a solid state film. Cyclic voltammetry (CV) was measured using a CHI 600C electrochemical analyzer at 0.1 M Bu 4 NPF 6 The platinum disk working electrode, platinum counter electrode, and silver wire pseudo-reference electrode in anhydrous acetonitrile containing tetrabutylammonium hexafluorophosphate (tetrabutylammonium hexafluorophosphate) were measured at a scan rate of 50 mV / s and GIXS was measured at the Pohang Accelerator Laboratory , And the GIXS sample was prepared by spin coating on a silicon substrate, and an X-ray having a wavelength of 1.1179 Å was measured at a wavelength of ~ 0.12 ° Was measured GIXS sample a square, AFM was measured with a Veeco Dimension 3100 instrument in tapping mode.

스틸레 커플링(Stille coupling) 반응을 이용한 고분자 합성법Polymer synthesis using stille coupling reaction

고주파 조사(microwave irradiation)를 하면서 스틸레 반응(stille reaction)을 이용하여 아래의 공중합 공정(polymerization procedure)을 거쳐 다양한 조성 비율을 가지는 랜덤 삼원 공중합체 고분자를 합성하였다. 자세한 공중합 공정은 다음과 같다.A random tertiary copolymer polymer having various composition ratios was synthesized by the following polymerization procedure using a stille reaction under microwave irradiation. The detailed copolymerization process is as follows.

NDI2HD, 2,5-Bis(trimethylstannyl)-thiophene, 및 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene을 칭량하고, 고주파 유리병에 투입한 후 자력 교반기로 교반을 한다. 그리고, Pd2(dba)3((dibenzylideneacetone)dipalladium, (디벤질이데네아세톤)디팔라듐) 2 mol%와 P(o-tolyl)3((tri(o-tolyl)phosphine, 트리(o-톨릴)포스핀) 8 mol%를 더 넣고 밀봉한 상태에서 계속 교반을 한다. 그리고,무수 톨루엔과 무수 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF)를 추가한다. 상기 유리병에 담겨진 혼합물은 아르곤 가스를 이용하여 30 분 동안 탈기(degassed)한다. 상기 유리병은 마이크로웨이브 반응기에 넣고 150 ℃에서 3 시간 동안 교반을 한 후 실온에서 냉각을 시켜 고분자를 수득한다. 냉각된 고분자는 250 ml 메탄올과 5 ml 염산이 혼합된 혼합용액으로 침전시킨 후 2 시간 동안 교반을 한다. 교반이 완료된 후에 상기 고분자는 속슬렛(Soxhlet) 추출법을 이용하여 메탄올, 헥산, 아세톤, 및 클로로포름을 가지고 순차적으로 추출하여 정제한다. 상기 클로로포름에서의 고분자는 감압 조건 하에서 메탄올에 침전되면서 농축되었다. 마지막으로, 상기 고분자는 24 시간 동안 진공상태에서 건조시킨다. 2,5-bis (trimethylstannyl) -thiophene and 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene were weighed and put into a high-frequency glass bottle, followed by stirring with a magnetic stirrer. And, Pd 2 (dba) 3 ( (dibenzylideneacetone) dipalladium, ( dibenzylideneacetone the dene) dipalladium), 2 mol% and P (o -tolyl) 3 (( tri (o-tolyl) phosphine, tree (o- tolyl ) 8 mol% is further added, and the mixture is continuously stirred in a sealed state. Anhydrous toluene and anhydrous N, N-dimethylformamide (DMF) are added. The mixture was degassed for 30 minutes using argon gas. The glass bottle was placed in a microwave reactor, stirred at 150 DEG C for 3 hours, and cooled at room temperature to obtain a polymer. ml methanol and 5 ml hydrochloric acid, and the mixture was stirred for 2 hours. After the completion of the stirring, the polymer was subjected to Soxhlet extraction using methanol, hexane, acetone, and chloroform sequentially Extracted and purified. The chloroform Polymers of standing was concentrated under reduced pressure while precipitation in methanol. Finally, the polymer was dried in vacuo for 24 hours.

< 실시예 1 > P(NDI2HD-T&Lt; Example 1 > P (NDI2HD-T 100100 ) (P1)의 중합반응) Polymerization of (P1)

톨루엔과 DMF의 혼합용액에서 NDI2HD(1.0 당량)와 2,5-bis(trimethylstannyl)thiophene(1.0 당량, T)의 혼합물은 상기와 같은 합성법으로 P1 고분자를 합성하였고, 상기 P1 고분자에 대한 원소 성분 분석을 실시한 결과는 다음과 같다. A P1 polymer was synthesized by the above synthesis method using a mixture of NDI 2HD (1.0 eq.) And 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (1.0 eq., T) in a mixture of toluene and DMF. Element P1 The results are as follows.

SEC(size exclusion chromatography, chloroform fraction) : Mn = 54 k, Mw = 114 k, PDI = 2.10.SEC (size exclusion chromatography, chloroform fraction): Mn = 54 k, Mw = 114 k, PDI = 2.10.

분석 계산값 : C, 75.33 %; H, 9.10 %; N, 3.51 %; S, 4.02 %. Analysis calculated: C, 75.33%; H, 9.10%; N, 3.51%; S, 4.02%.

실제값 : C, 74.68 %; H, 8.97 %; N, 3.42 %; S, 4.00 %.Actual value: C, 74.68%; H, 8.97%; N, 3.42%; S, 4.00%.

< 실시예 2 > P(NDI2HD-T&Lt; Example 2 > P (NDI2HD-T 8080 SS 2020 ) (P2)의 중합반응) Polymerization of (P2)

톨루엔과 DMF의 혼합용액에서 NDI2HD(1.0 당량), 2,5-bis(trimethylstannyl)thiophene(0.8 당량, T), 및 2,5-bis(trimethylstannyl)selenophene(0.2 당량, S)의 혼합물은 상기와 같은 합성법으로 P2 고분자를 합성하였고, 상기 P2 고분자에 대한 원소 성분 분석을 실시한 결과는 다음과 같다. A mixture of NDI 2HD (1.0 eq.), 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (0.8 eq., T) and 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene (0.2 eq., S) in a mixture of toluene and DMF P2 polymer was synthesized by the same synthesis method, and the element composition of the P2 polymer was analyzed as follows.

SEC(size exclusion chromatography, chloroform fraction) : Mn = 74 k, Mw = 154 k, PDI = 2.08.SEC (size exclusion chromatography, chloroform fraction): Mn = 74 k, Mw = 154 k, PDI = 2.08.

분석 계산값 : C, 74.61 %; H, 8.82 %; N, 3.48 %; S, 3.19 %. Analysis calculated: C, 74.61%; H, 8.82%; N, 3.48%; S, 3.19%.

실제값 : C, 74.12 %; H, 8.85 %; N, 3.34 %; S, 3.04 %.Actual value: C, 74.12%; H, 8.85%; N, 3.34%; S, 3.04%.

< 실시예 3 > P(NDI2HD-T&Lt; Example 3 > P (NDI2HD-T 5050 SS 5050 ) (P3)의 중합반응) Polymerization of (P3)

톨루엔과 DMF의 혼합용액에서 NDI2HD(1.0 당량), 2,5-bis(trimethylstannyl)thiophene(0.5 당량, T), 및 2,5-bis(trimethylstannyl)selenophene(0.5 당량, S)의 혼합물은 상기와 같은 합성법으로 P3 고분자를 합성하였고, 상기 P3 고분자에 대한 원소 성분 분석을 실시한 결과는 다음과 같다. A mixture of NDI 2HD (1.0 eq.), 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (0.5 eq., T) and 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene (0.5 eq., S) in a mixture of toluene and DMF The P3 polymer was synthesized by the same synthetic method, and the elemental composition of the P3 polymer was analyzed as follows.

SEC(size exclusion chromatography, chloroform fraction) : Mn = 53 k, Mw = 112 k, PDI = 2.10.SEC (size exclusion chromatography, chloroform fraction): Mn = 53 k, Mw = 112 k, PDI = 2.10.

분석 계산값 : C, 73.27 %; H, 8.73 %; N, 3.42 %; S, 1.96 %. Analysis calculated: C, 73.27%; H, 8.73%; N, 3.42%; S, 1.96%.

실제값 : C, 73.72 %; H, 8.74 %; N, 3.38 %; S, 1.90 %.Actual value: C, 73.72%; H, 8.74%; N, 3.38%; S, 1.90%.

< 실시예 4 > P(NDI2HD-T&Lt; Example 4 > P (NDI2HD-T 2020 SS 8080 ) (P4)의 중합반응) Polymerization of (P4)

톨루엔과 DMF의 혼합용액에서 NDI2HD(1.0 당량), 2,5-bis(trimethylstannyl)thiophene(0.2 당량, T), 및 2,5-bis(trimethylstannyl)selenophene(0.8 당량, S)의 혼합물은 상기와 같은 합성법으로 P4 고분자를 합성하였고, 상기 P4 고분자에 대한 원소 성분 분석을 실시한 결과는 다음과 같다. A mixture of NDI 2HD (1.0 eq.), 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (0.2 eq., T) and 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene (0.8 eq., S) in a mixture of toluene and DMF The P4 polymer was synthesized by the same synthetic method, and the elemental composition of the P4 polymer was analyzed as follows.

SEC(size exclusion chromatography, chloroform fraction) : Mn = 69 k, Mw = 147 k, PDI = 2.13.SEC (size exclusion chromatography, chloroform fraction): Mn = 69 k, Mw = 147 k, PDI = 2.13.

분석 계산값 : C, 72.09 %; H, 8.52 %; N, 3.36 %; S, 0.77 %. Analysis calculated: C, 72.09%; H, 8.52%; N, 3.36%; S, 0.77%.

실제값 : C, 73.04 %; H, 8.64 %; N, 3.32 %; S, 0.73 %.Actual value: C, 73.04%; H, 8.64%; N, 3.32%; S, 0.73%.

< 실시예 5 > P(NDI2HD-S&Lt; Example 5 > P (NDI2HD-S 100100 ) (P5)의 중합반응) Polymerization of (P5)

톨루엔과 DMF의 혼합용액에서 NDI2HD(1.0 당량)와 2,5-bis(trimethylstannyl)selenophene(1.0 당량, S)의 혼합물은 상기와 같은 합성법으로 P5 고분자를 합성하였고, 상기 P5 고분자에 대한 원소 성분 분석을 실시한 결과는 다음과 같다. A mixture of NDI 2HD (1.0 eq.) And 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene (1.0 eq., S) in a mixture of toluene and DMF was synthesized by the synthesis method described above. Elemental composition analysis of the P5 polymer The results are as follows.

SEC(size exclusion chromatography, chloroform fraction) : Mn = 67 k, Mw = 160 k, PDI = 2.40.SEC (size exclusion chromatography, chloroform fraction): Mn = 67 k, Mw = 160 k, PDI = 2.40.

분석 계산값 : C, 71.15 %; H, 8.60 %; N, 3.32 %; S, 0.00 %. Analysis calculated: C, 71.15%; H, 8.60%; N, 3.32%; S, 0.00%.

실제값 : C, 71.82 %; H, 8.52 %; N, 3.30 %; S, 0.00 %.Actual value: C, 71.82%; H, 8.52%; N, 3.30%; S, 0.00%.

< < 실시예Example 6 > 반전형 전-고분자 태양전지의 제조 및 측정(Fabrication of inverted type all-polymer solar cells and measurements) 6> Fabrication of Inverted Type All-Polymer Solar Cells and Measurements

본 발명은 기판, 상기 기판 상에 형성된 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성된 ZnO층, 상기 ZnO층 상에 형성되고, 상기 화학식 1로 표시되는 전자 수용체 고분자를 포함하는 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 MoO3층, 및 상기 MoO3층 상에 형성된 상부 전극을 포함하는 반전형(inverted type) 고분자 태양전지를 제공한다. 상기 반전형 고분자 태양전지의 한 예로서, ITO/ZnO/활성층/MoO3/Ag 구조의 반전형 고분자 태양전지를 제조하고 태양전지 효율을 테스트하였다. The present invention relates to a semiconductor device comprising a substrate, a lower electrode formed on the substrate, a ZnO layer formed on the lower electrode, an active layer formed on the ZnO layer and including an electron acceptor polymer represented by Formula 1, 3 layers, and an upper electrode formed on the MoO 3 layer. As an example of the above antireflection polymer solar cell, an ITO / ZnO / active layer / MoO 3 / Ag structure antireflection polymer solar cell was manufactured and the solar cell efficiency was tested.

ITO가 형성된 유리 기판은 아세톤과 물과 이소프로필 알코올로 초음파 처리를 통해 세척을 하였고, 세척된 상기 기판은 오븐에 넣고 80 ℃에서 20 분 동안 건조를 하였으며, 상기 유리 기판 상에 형성된 ITO는 ZnO 층을 형성하기 전에 UV-ozone으로 처리하였다. The glass substrate on which the ITO was formed was washed with acetone, water and isopropyl alcohol through ultrasonic treatment, and the washed substrate was placed in an oven and dried at 80 ° C for 20 minutes. ITO formed on the glass substrate was a ZnO layer Lt; RTI ID = 0.0 &gt; UV-ozone &lt; / RTI &gt;

ZnO 용액은 졸-겔 과정을 이용하여 준비하고, 아연아세테이트 2수화물 (Zn(O2CCH3)2·(H2O)2, 99.9 %) 1 g 및 에탄올아민 (HOCH2CH2NH2, 99.5 %) 0.28 g을 무수 2-메톡시 에탄올 (CH3OCH2CH2OH > 99.8 %) 10 mL에 24시간 이상 격렬하게 교반하고 용해하여, 가수분해 반응시켰다. 상기 ZnO 용액은 상기 ITO 상에 3,000 rpm 속도로 40 초 동안 스핀 코팅하여 ZnO 층을 형성하며, 상기 ZnO 층은 200 ℃, 공기 분위기에서 10 분 동안 가열하고, ZnO 층까지 형성된 소자를 질소 분위기로 유지된 글러브 박스에 이동시켰다. ZnO solution was prepared using a sol-gel process, and 1 g of zinc acetate dihydrate (Zn (O2CCH3) 2 (H2O) 2, 99.9%) and 0.28 g of ethanolamine (HOCH2CH2NH2, 99.5% Ethoxyethanol (CH3OCH2CH2OH > 99.8%) for 24 hours or longer and dissolved. The ZnO solution was spin-coated on the ITO at a rate of 3,000 rpm for 40 seconds to form a ZnO layer. The ZnO layer was heated at 200 ° C in an air atmosphere for 10 minutes, and the device formed up to the ZnO layer was maintained in a nitrogen atmosphere To the glove box.

상기 활성층을 형성하기 위해 상기 실시예 1 ~ 5에서 제조된 P1 ~ P5의 전자 수용체 고분자(acceptors)는 클로로포름 용매와 1, 8-디아이오딘옥탄(1, 8-diiodooctance, DIO) 첨가제를 사용하여 PTB7 전자공여체 고분자(donor)와 함께 블렌드를 하였다. 상기 PTB7은 poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl) carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]] (폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실)옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디싸이오펜-2.6-디일][3-플루오르-2-[(2-에틸헥실)카보닐]싸이오펜[3,4-b]싸이오펜디일]])을 의미한다. PTB7:상기 (P1 ~ P5)의 최적화된 공여체(D) : 수용체(A) 비는 1.3 : 1 w/w이고, 상기 P1 ~ P5의 전자수용체 고분자(acceptors)와 PTB7 전자공여체 고분자(donor)의 총 농도(D + A)는 12 mg/mL로 일치하였다(DIO 첨가제는 1 부피%로 함유). 상기 블렌딩 용액은 ITO/ZnO 기판 상에 스핀 코팅하기 전에 핫플레이트에서 45 ℃, 1 시간 동안 교반한 후 ITO/ZnO 기판 상에 3,000 rpm에서 40 초 동안 스핀 코팅을 하였다. 활성층까지 형성된 기판은 증착 챔버에 넣고 1 시간 이상 동안 고진공(10-6 Torr 미만) 하에 두께 10 nm의 MoO3과 120 nm의 Ag을 순차적으로 열 증착하였다. 상기 활성층은 광학 현미경으로 측정한 결과 0.09 cm2 면적으로 형성되었다. 상기 ITO/ZnO/활성층/MoO3/Ag 구조의 반전형 고분자 태양전지의 전류 밀도-전압(J-V)은 대기 조건에서 모조의 AM 1.5G 광선(100 mWcm-2, Peccell: PEC-L01)하에 측정하였다. 모조 태양 시스템은 클래스 AAB를 만족시키며, 모조 태양의 강도는 KG-5 가시광 색상 필터를 가지는 표준 실리콘 기준 셀을 사용함으로써 보정을 하였다. 상기 전류 밀도-전압의 특성은 Keithley 2400 SMU 기기를 이용하여 기록하였다. The electron acceptor polymers of P1 to P5 prepared in Examples 1 to 5 for forming the active layer were prepared by using a chloroform solvent and 1, 8-diiodooctane (DIO) A blend was made with an electron donor polymer. The PTB7 is a poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b '] dithiophene-2,6- (2-ethylhexyl) carbonyl] thieno [3,4-b] thiophenediyl]] (poly [[4,8- ] Thiophene-2.6-diyl] [3-fluoro-2 - [(2-ethylhexyl) carbonyl] thiophene [3,4-b] thiophendiyl]]). PTB7: The optimized donor (D): acceptor (A) ratio of P1 to P5 is 1.3: 1 w / w, and the electron acceptor polymers of P1 to P5 and the donor of PTB7 electron donor The total concentration (D + A) was equal to 12 mg / mL (containing 1 volume% DIO additive). The blending solution was stirred on a hot plate at 45 ° C for 1 hour before spin coating on ITO / ZnO substrate, and then spin-coated on ITO / ZnO substrate at 3,000 rpm for 40 seconds. The substrate formed up to the active layer was placed in a deposition chamber, and MoO 3 of thickness 10 nm and Ag of 120 nm were sequentially thermally deposited under high vacuum (less than 10 -6 Torr) for one hour or more. The active layer was formed with an area of 0.09 cm 2 as measured by an optical microscope. The current density-voltage (JV) of the ITO / ZnO / active layer / MoO 3 / Ag structure antireflective polymer solar cell was measured under the atmospheric condition under the imitation AM 1.5G light (100 mWcm -2 , Peccell: PEC-L01) Respectively. The imitation solar system meets the Class AAB and the intensity of the imitation sun is corrected by using a standard silicon reference cell with a KG-5 visible light color filter. The current density-voltage characteristics were recorded using a Keithley 2400 SMU instrument.

< < 실험예Experimental Example 1 > 광학 및 전기화학적 특성(Optical and electrochemical properties) 1> Optical and electrochemical properties

도 2에서 보는 바와 같이, 희석된 클로로포름 용액과 박박에서 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 광학적 특성을 보여준다. 고체 상태의 박막에서 상기 삼원 공중합체(P1 ~ P5)는 300 ~ 700 nm 영역에서 유사한 흡수 스펙트럼을 보여준다. 그리고, 하기 표 1에서 보는 바와 같이, 최대 흡수 피크(λmax)는 셀레노펜의 조성비가 증가(P1 → P5)할수록 적색 천이(red-shifted)가 되었다. 그러나, 용액 상태에서 고분자의 응집(pre-aggregation)에 기인한 전자 진동의 피크는 삼원 공중합체 P3부터 나타나기 시작하여 삼원 공중합체 P4와 P5에서 상기 전자 진동의 피크의 강도가 상당히 많이 증가하였다. 이는 셀레노펜 단위체의 결합이 삼원 공중합체의 분자 내 조립을 향상시켜주는 것을 확인하였다. 또한, 상기 삼원 공중합체 P1 ~ P5에 대한 빛 흡수의 시작을 기반으로 한 광학적 에너지 밴드갭(Eg opt)은 각각 1.84, 1.83, 1.79, 1.77, 및 1.73 eV으로 측정되었다. 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 삼원 공중합체 P1 ~ P5의 최저준위 비점유 분자 궤도함수 (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO) 에너지 준위는 페로센/페로세늄(ferrocene/ferrocenium, Fc/Fc+) 산화환원 쌍(redox couple)(진공 수준보다 4.80 eV 낮음)을 외부 표준치(external standard)로 사용하여 순환 전압전류법(CV)에 의해 산출되었고, 상기 삼원 공중합체 P1 ~ P5의 최고준위 점유 분자 궤도함수(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO) 에너지 준위는 상기 CV에 의해 결정된 LUMO 에너지 준위로부터 상기 광학적 에너지 밴드갭(Eg opt)의 값을 가감하여 계산하였다(표 4 참조). 상기 삼원 공중합체 P1 ~ P5의 LUMO 에너지 준위는 약 - 3.8 eV에 근접하나, 상기 삼원 공중합체 P1 ~ P5의 HOMO 에너지 준위는 셀레노펜의 조성비가 증가할수록 다음과 같이 점진적으로 증가하였다(도 4 참조). As shown in FIG. 2, in the diluted chloroform solution and thin foil, the optical properties of the terpolymers (P1 to P5) having various composition ratios according to one embodiment of the present invention are shown. In the solid state thin film, the terpolymers (P1 to P5) show similar absorption spectra in the region of 300 to 700 nm. As shown in Table 1, the maximum absorption peak (? Max ) was red-shifted as the composition ratio of selenophene increased (P1? P5). However, the peak of the electron oscillation due to the pre-aggregation of the polymer in the solution state started to appear from the terpolymer P3, and the intensity of the peak of the electron oscillation was significantly increased in the terpolymers P4 and P5. This confirms that the binding of the selenophene unit improves the intramolecular assembly of the ternary copolymer. In addition, the optical energy bandgap (E g opt ) based on the start of light absorption for the terpolymers P1 to P5 was measured to be 1.84, 1.83, 1.79, 1.77, and 1.73 eV, respectively. 3, the lowest energy Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) energy level of the terpolymers P1 to P5 is a ferrocene / ferrocenium (Fc / Fc + ) redox pair (CV) using a redox couple (4.80 eV lower than the vacuum level) as an external standard and the highest level occupied molecular orbital of the terpolymers P1 to P5 Occupied Molecular Orbital (HOMO) energy level was calculated by adding or subtracting the value of the optical energy band gap (E g opt ) from the LUMO energy level determined by the CV (see Table 4). The LUMO energy levels of the terpolymers P1 to P5 were close to about 3.8 eV, but the HOMO energy levels of the terpolymers P1 to P5 gradually increased as the composition ratio of selenophene was increased (see FIG. 4 ).

HOMO energy levels : - 5.68 eV (P1) < - 5.63 eV (P2) < - 5.61 eV (P3) < - 5.53 eV (P4) < - 5.51 eV (P5).HOMO energy levels: - 5.68 eV (P1) <-5.63 eV (P2) <- 5.61 eV (P3) <- 5.53 eV (P4) <- 5.51 eV (P5).

PolymersPolymers λmaxlambda max
Film (nm)Film (nm) aa
HOMO HOMO
(eV)(eV) bb
LUMOLUMO
(eV)(eV) cc
EE gg optopt
(eV)(eV) dd
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 100100 ))
(P1)(P1)
343,599343,599 - 5.68- 5.68 - 3.84- 3.84 1.841.84
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 8080 -S-S 2020 ))
(P2)(P2)
346,607346,607 - 5.63- 5.63 - 3.80- 3.80 1.831.83
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 5050 -S-S 5050 ))
(P3)(P3)
349,609349,609 - 5.61- 5.61 - 3.82- 3.82 1.791.79
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 2020 -S-S 8080 ))
(P4)(P4)
355,620355,620 - 5.53- 5.53 - 3.76- 3.76 1.771.77
P(P ( NDI2HDNDI2HD -S-S 100100 ))
(P5)(P5)
357,627357,627 - 5.51- 5.51 - 3.78- 3.78 1.731.73

a : 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼 측정치a: ultraviolet-visible light absorption spectrum measurement

b : HOMO 에너지 준위는 CV에 의해 결정된 LUMO 에너지 준위로부터 광학적 에너지 밴드갭(Eg opt)의 값을 가감하여 얻어진 계산치b: the HOMO energy level is calculated by adding or subtracting the value of the optical energy band gap (E g opt ) from the LUMO energy level determined by CV

c : LUMO 에너지 준위는 순환 전압전류법(CV)에 의해 산출된 측정치c: The LUMO energy level is measured by a cyclic voltammetry (CV)

d : 광학적 에너지 밴드갭(Eg opt)은 삼원 공중합체 P1 ~ P5에 대한 빛 흡수의 시작을 기반으로 계산d: The optical energy band gap (E g opt ) is calculated based on the start of light absorption for the terpolymers P1 to P5

< < 실험예Experimental Example 2 > 순수한 필름의 구조적 특성(Structural properties of pristine films) 2> Structural properties of pristine films

도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 순수한 필름은 결정성(crystalline behavior)에서 셀레노펜 단위체의 효과와 미세구조를 GIXS(Grazing incidence X-ray scattering)의 측정을 통해 조사하였다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 순수한 필름은 추가적인 처리 공정 없이 클로로포름 용액으로 스핀 코팅하여 동일한 조건에서 측정하였다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 순수한 필름의 GIXS 이미지의 평면 내(in-plane, qxy)와 평면 외(out-of-plane, qz) 라인 컷을 보여준다. 하기 표 5에서 보는 바와 같이, 상기 삼원 공중합체(P1 ~ P5)는 2.21 ~ 2.24 nm의 라멜라 간격(lamellar spacings, d100)을 가지는 평면 내 방향에서 (100) 결정면으로부터 반사 피크가 나타난다. 또한, 상기 NDI2HD 고분자의 기본 골격에서 반복적인 NDI 단위체에 의해 야기된 (001) 결정면으로부터의 반사 피크는 삼원 공중합체(P1 ~ P5)에서 관찰된다. 상기 평면 외 방향에서 π-π 스태킹에 대응이 되는 (010) 결정면으로부터의 반사 피크는 셀레노펜의 조성비가 증가할수록 0.415 nm (P1)에서 0.405 nm (P5)로 감소한다. 상기 (010) 결정면으로부터의 반사 피크가 감소하는 것은 분자 내 사슬에서 전자궤도함수의 중첩(orbital overlap)이 잘 일어나기 때문이다. 상기 π-π 스태킹은 평면 외 방향에서 매우 현저하게 나타나고, 이는 all-PSCs의 전극 사이에서 효율적인 전하 교환이 이루어지도록 중요한 역할을 한다. 또한, 상기 셀레노펜의 조성비의 증가는 평면 내 방향과 평면 외 방향에서 (200) 반사 피크와 (300) 반사 피크가 고차 반사 피크로 나타나기 시작하면서, 동시에 (100) 반사 피크의 폭이 뾰족하게 나타난다. 상기 순수한 필름에서 상기 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 라멜라 상관 길이(Correlation lengths of lamellar, LC)는 Scherrer 방정식을 이용하여 산란 피크의 반치전폭(full width at half maximum, FWHM)으로부터 계산되었다(표 2 참조). 상기 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 LC 100의 값은 9.63 nm (P1) < 9.86 nm (P2) < 13.14 nm (P3) < 13.77 nm (P4), 및 15.39 nm (P5)로 점진적으로 증가하였고, 이는 셀레노펜의 높은 함량이 더 발전된 결정 구조로 제조할 수 있음을 확인하였다. 또한, 상기 셀레노펜으로부터 우선적인 퀴논형 형태는 NDI2HD 고분자의 기본 골격에서 사슬 회전을 억제할 수 있으며, 높은 분자 간의 상호 작용을 제어할 수 있다. As shown in FIG. 5, the pure films of the terpolymers P1 to P5 having various composition ratios according to an embodiment of the present invention show the effect of the selenophene unit and the microstructure thereof in the crystalline behavior by GIXS X-ray scattering). In addition, the pure films of the terpolymers (P1 to P5) having various composition ratios according to an embodiment of the present invention were spin-coated with a chloroform solution and measured under the same conditions without any additional treatment process. FIG. 6 is a graph illustrating the in-plane, q xy and out-of-plane, q-plane images of the pure film of the three-way copolymers P1 to P5 of various composition ratios according to an embodiment of the present invention. z ) shows the line cut. As shown in the following Table 5, the terpolymers (P1 to P5) show reflection peaks from (100) crystal planes in a plane direction having lamellar spacings (d 100 ) of 2.21 to 2.24 nm. Further, in the basic skeleton of the NDI2HD polymer, reflection peaks from (001) crystal planes caused by repeating NDI units are observed in the terpolymers (P1 to P5). The reflection peak from the (010) crystal face corresponding to? -Π stacking in the out-of-plane direction decreases from 0.415 nm (P1) to 0.405 nm (P5) as the composition ratio of selenophene increases. The decrease in the reflection peak from the (010) crystal face is due to the fact that the orbital overlap of the electron orbital function occurs well in the intramolecular chain. The π-π stacking is very pronounced in the out-of-plane direction, which plays an important role in efficient charge exchange between the electrodes of all-PSCs. In addition, the increase in the composition ratio of the selenophenes is such that (200) reflection peak and (300) reflection peak start appearing as higher-order reflection peaks in the in-plane direction and out-plane direction, . The correlation lengths of lamellar (L C ) of the terpolymers (P1 to P5) in the pure film were calculated from the full width at half maximum (FWHM) of the scattering peak using the Scherrer equation See Table 2). The value of L C 100 of the terpolymer (P1 ~ P5) is gradually increased to 9.63 nm (P1) <9.86 nm (P2) <13.14 nm (P3) <13.77 nm (P4), and 15.39 nm (P5) , Confirming that a high content of selenophene can be produced with a more advanced crystal structure. In addition, the preferred quinone form from the selenophenes can inhibit chain rotation in the basic framework of the NDI2HD polymer and can control high molecular interactions.

따라서, 상기 P5는 현저하게 나타나는 (h00)과 (00l) 반사 피크와 큰 상관 길이(correlation lengths, LC)의 값을 관찰할 수 있다. 또한, 상기 삼원 공중합체(P1 ~ P5)에서 상기 π-π 스태킹의 상관 길이는 1.52 nm (P1) < 1.55 nm (P2) < 1.59 nm (P3) < 1.61 nm (P4) < 1.66 nm (P5)로 증가하였다.Thus, the P5 can be remarkably observed in the represented values (h00) and (00l) reflection peak and the large correlation length (correlation lengths, L C). The correlation length of the π-π stacking in the terpolymers (P1 to P5) is 1.52 nm (P1) <1.55 nm (P2) <1.59 nm (P3) <1.61 nm (P4) Respectively.

PolymersPolymers dd 100100 (nm) (nm) aa LL cc 100100 (nm) (nm) bb dd 010010 (nm) (nm) cc LL cc 010010 (nm) (nm) dd P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 100100 ))
(P1)(P1)
2.242.24 9.639.63 0.4150.415 1.521.52
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 8080 -S-S 2020 ))
(P2)(P2)
2.232.23 9.869.86 0.4110.411 1.551.55
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 5050 -S-S 5050 ))
(P3)(P3)
2.222.22 13.1413.14 0.4080.408 1.591.59
P(P ( NDI2HDNDI2HD -T-T 2020 -S-S 8080 ))
(P4)(P4)
2.122.12 13.7713.77 0.4050.405 1.611.61
P(P ( NDI2HDNDI2HD -S-S 100100 ))
(P5)(P5)
2.222.22 15.3915.39 0.4050.405 1.661.66

a : 라멜라 공간의 도메인a: domain of the lamella space

b : 라멜라 상관 길이b: Lamellar correlation length

c : 2D GIXS의 평면 내(in-of-plane)와 평면 외(out-of-plane)로부터 계산된 삼원 공중합체(P1 ~ P5) 순수한 필름의 π-π 스태킹 값c: Ternary copolymers (P1 to P5) calculated from in-plane and out-plane 2D GIXS The pi-pi stacking values of pure films

d : Scherrer 방정식을 이용하여 계산된 삼원 공중합체(P1 ~ P5) 순수한 필름의 π-π 스태킹 결정(crystals) 값d: ternary copolymers (P1 to P5) calculated using the Scherrer equation. π-π stacking crystals of pure films

< < 실험예Experimental Example 3 > 광전지 및 전기적 특성( 3> Photovoltaic and Electrical Properties PhotovoltaicPhotovoltaic and electrical properties) and electrical properties)

본 발명은 삼원 공중합체의 구조적 특성과 태양전지(광전지)의 성능 사이의 상관관계를 이해하고자, 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)를 기반으로 한 all-PSCs 소자를 제조하였다. 상기 태양전지 소자는 ITO/ZnO/활성층/MoO3/Ag의 반전형 구조로 형성되어 있으며, 상기 활성층은 전자수용체 고분자인 삼원 공중합체(P1 ~ P5)와 전자공여체 고분자인 PTB7를 포함한다. 상기 활성층에서 최적의 공여체/수용체 블렌드 비율은 1.3(공여체) : 1(수용체) w/w이고, 상기 블렌드에는 첨가제로서 1, 8-디아이오딘옥탄(1, 8-diiodooctance, DIO) 1 부피%가 함유되며, 상기 활성층의 두께는 ~ 100 nm이다. 도 7(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5):PTB7를 기반으로 한 BHJ(bulk heterojunction, 벌크 이종접합)형 all-PSCs의 J-V 곡선 그래프를 보여주고, 하기 표 6은 본 발명의 태양전지의 특성을 요약하여 정리하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)를 기반으로 한 all-PSCs 소자는 상기 삼원 공중합체(P1 ~ P5)의 LUMO 에너지 준위가 비슷하기 때문에 개방 회로 전압(VOC) 값이 0.79 V로 유사하게 측정되었다. 그러나, 상기 all-PSCs의 에너지 변환 효율(PCE)은 P1 (2.50 %) < P2 (2.73 %) < P3 (2.87 %) < P4 (3.21 %) < P5 (3.60 %)으로 증가하였다. 상기 PCE의 극적인 개선은 도 7(c)에서 보는 바와 같이, 단락회로전류밀도(Jsc) 값이 6.64 mA cm-2 (P1) < 7.02 mA cm-2 (P2) < 7.41 mA cm-2 (P3) < 7.88 (P4) < 8.99 mA cm-2 (P5)로 증가되었기 때문이다. 도 7(b)와 표 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)를 기반으로 한 all-PSCs 소자는 최적의 소자 조건 하에 외부 양자 효율(external quantum efficiencies, EQEs)을 측정하였다. 상기 all-PSCs에 대한 단락회로전류밀도(Jsc)의 값은 EQE 스펙트럼에서 보여주는 것처럼 일정하였다. 상기 삼원 공중합체의 셀레노펜의 조성비가 증가할수록 EQE 값은 500 ~ 700 nm 영역에서 향상되었다. 예를 들어, 상기 EQE 값은 620 nm 영역에서 35 % 정도 향상되었다(P1 : 36.7 % → P5 : 49.4 %). 상기 EQE 값의 증가는 빛 흡수보다는 활성층에서 전하 교환과 전이와 같은 전기적 특성의 변화에 기인한다. 상기 빛 흡수의 영향력이 낮은 것은 도 8에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)를 기반으로 한 all-PSCs 소자의 자외선-가시광 스펙트럼의 차이가 없기 때문이다. In order to understand the correlation between the structural characteristics of the terpolymer and the performance of a solar cell (photovoltaic cell), the present invention provides an all-terpolymer based on terpolymers (P1 to P5) having various composition ratios according to an embodiment of the present invention, PSCs devices were fabricated. The solar cell element is formed of an inverted structure of ITO / ZnO / active layer / MoO 3 / Ag, and the active layer includes a terpolymer (P1 to P5) as an electron acceptor polymer and PTB7 as an electron donor polymer. The optimum donor / acceptor blend ratio in the active layer is 1.3 (donor): 1 (acceptor) w / w and 1% by volume of 1,8-diiodooctane (DIO) And the thickness of the active layer is about 100 nm. 7 (a) shows a JV curve graph of BHJ (bulk heterojunction) all-PSCs based on PTB7 based on terpolymers (P1 to P5) of various composition ratios according to an embodiment of the present invention Table 6 summarizes the characteristics of the solar cell of the present invention. The all-PSCs device based on the terpolymers P1 to P5 having various composition ratios according to the embodiment of the present invention has an open circuit voltage V (V) because the LUMO energy levels of the terpolymers P1 to P5 are similar, OC ) values were measured to be 0.79 V similarly. However, the energy conversion efficiency (PCE) of the all-PSCs increased to P1 (2.50%) <P2 (2.73%) <P3 (2.87%) <P4 (3.21%) <P5 (3.60%). The dramatic improvement of the PCE is that the short circuit current density J sc is 6.64 mA cm -2 (P1) <7.02 mA cm -2 (P2) <7.41 mA cm -2 (FIG. 7 P3) < 7.88 (P4) < 8.99 mA cm -2 (P5). As shown in FIG. 7 (b) and Table 7, the all-PSCs based on the ternary copolymers P1 to P5 having various composition ratios according to an embodiment of the present invention exhibit external quantum efficiency external quantum efficiencies (EQEs) were measured. The value of the short circuit current density (J sc ) for all-PSCs was constant as shown in the EQE spectrum. As the composition ratio of selenophene of the terpolymer increased, the EQE value was improved in the range of 500 to 700 nm. For example, the EQE value is improved by 35% in the 620 nm region (P1: 36.7%? P5: 49.4%). The increase in the EQE value is due to a change in electrical properties such as charge exchange and transition in the active layer rather than light absorption. As shown in FIG. 8, the difference in ultraviolet-visible light spectra of the all-PSCs based on the ternary copolymers P1 to P5 having various composition ratios according to an embodiment of the present invention It is because there is not.

또한, 상기 PCE와 Jsc의 경향을 이해하기 위해서 순수한 삼원 공중합체를 가지고 전자만의 공간-전하-제한 전류(space-charge-limited current, SCLC) 소자를 제조하였다(도 9 참조). 상기 전자만의 공간-전하-제한 전류(space-charge-limited current, SCLC) 소자는 ITO/ZnO/순수한 삼원 공중합체(P1 ~ P5)/LiF/Al으로 구성되어 있다. 셀레노펜의 조성비가 증가할수록 상기 SCLC 소자에서 전자 이동도(μe)는 7.79× 10-6 cm2 V-1 s-1 (P1) < 8.85×10-6 cm2 V-1 s-1 (P2) < 1.91× 10-5 cm2 V-1 s-1 (P3) < 1.99× 10-5 cm2 V-1 s-1 (P4)로 증가하였으며, P5는 전자 이동도의 최고값(μe = 1.91× 10-5 cm2 V-1 s- 1)을 가졌다. 그리고, 증가된 전기 이동도는 셀레늄(Se) 원자의 분자간 인력과 GIXS 측정으로 확인된 NDI2HD 고분자의 기본 골격에서 경직성(사슬 회전의 억제력) 향상에 기인한다. 아울러, 상기 증가된 전자 이동도는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)를 기반으로 한 all-PSCs 소자에서 PCE 향상을 가지며, 향상된 전하 이동도는 상기 all-PSCs의 Jsc 값을 향상시키는 중요한 이유 중 하나이다.In order to understand the tendency of the PCE and J sc , an electron only space-charge-limited current (SCLC) device was fabricated with a pure terpolymer (see FIG. 9). The electron-only space-charge-limited current (SCLC) device consists of ITO / ZnO / pure terpolymer (P1 to P5) / LiF / Al. As the composition ratio of selenophene increases, the electron mobility (μ e ) in the SCLC device becomes 7.79 × 10 -6 cm 2 V -1 s -1 (P1) <8.85 × 10 -6 cm 2 V -1 s -1 P2) <1.91 × 10 -5 cm 2 V -1 s -1 (P3) <1.99 × 10 -5 cm 2 V was increased to -1 s -1 (P4), P5 is the highest value of the electron mobility (μ e = 1.91 × 10 -5 cm 2 V -1 s - 1) had. The increased electric mobility is attributed to the intermolecular attractive force of selenium (Se) atoms and the improvement in stiffness (inhibition of chain rotation) in the basic skeleton of NDI2HD polymer confirmed by GIXS measurement. In addition, the increased electron mobility has a PCE improvement in the all-PSCs device based on the ternary copolymers P1 to P5 of various composition ratios according to an embodiment of the present invention, J sc of PSCs It is one of the important reasons to improve the value.

PolymersPolymers aa PCEPCE
(( %% )) bb
VV OCOC
(V)(V)
JJ SCSC
(mA cm(mA cm -2-2 ))
FFFF μμ ee
(( cm2 Vcm2 V -- 1 s1 s -- 1)One) cc
P1P1 2.50 (2.39)2.50 (2.39) 0.7920.792 6.646.64 0.480.48 7.79 X 10-6 7.79 X 10 -6 P2P2 2.73 (2.63)2.73 (2.63) 0.7940.794 7.027.02 0.490.49 8.85 X 10-6 8.85 X 10 -6 P3P3 2.87 (2.75)2.87 (2.75) 0.7850.785 7.417.41 0.490.49 1.91 X 10-5 1.91 X 10 -5 P4P4 3.21 (3.07)3.21 (3.07) 0.7930.793 7.887.88 0.510.51 1.99 X 10-5 1.99 X 10 -5 P5P5 3.60 (3.52)3.60 (3.52) 0.7910.791 8.998.99 0.510.51 2.21 X 10-5 2.21 X 10 -5

FF : 필 펙터(fill factor), PCE : 에너지 변환 효율(power conversion efficiency), SCLC : 공간-전하-제한 전류(space-charge-limited current)FF: fill factor, PCE: power conversion efficiency, SCLC: space-charge-limited current,

a : 블렌드 비율은 1.3(공여체) : 1(수용체) w/w이고, 상기 블렌드에는 첨가제로서 1, 8-디아이오딘옥탄(1, 8-diiodooctance, DIO) 1 부피%가 함유됨. 고분자 태양전지는 ITO/ZnO/활성층/MoO3/Ag의 반전형 구조로 형성됨.a: The blend ratio is 1.3 (donor): 1 (acceptor) w / w, and the blend contains 1 vol% of 1,8-diiodooctane (DIO) as an additive. Polymer solar cells are formed with an inverted structure of ITO / ZnO / active layer / MoO 3 / Ag.

b : 괄호 안의 값은 P1 ~ P5 고분자를 포함한 태양전지를 각각 6 개 이상 제조하여 측정된 PCE의 평균값b: The values in parentheses indicate the average value of PCE measured by manufacturing six or more solar cells including P1 ~ P5 polymer

c : 전자 이동도는 순수한 삼원 공중합체의 필름을 가지고 SCLC 방법에 의해 측정c: The electron mobility is measured by the SCLC method with a film of pure terpolymer

PolymersPolymers aa PCEPCE
(( %% )) bb
VV OCOC
(V)(V)
JJ SCSC
(mA cm(mA cm -2-2 ))
FFFF Cal Cal JJ SCSC bb
(mA cm(mA cm -2-2 ))
P1P1 2.39 ± 0.082.39 ± 0.08 0.781 ± 0.0080.781 ± 0.008 6.36 ± 0.136.36 ± 0.13 0.48 ± 0.010.48 ± 0.01 6.366.36 P2P2 2.63 ± 0.082.63 ± 0.08 0.785 ± 0.0050.785 ± 0.005 6.89 ± 0.166.89 ± 0.16 0.49 ± 0.010.49 ± 0.01 6.756.75 P3P3 2.75 ± 0.082.75 + 0.08 0.783 ± 0.0020.783 ± 0.002 7.27 ± 0.087.27 ± 0.08 0.48 ± 0.010.48 ± 0.01 7.087.08 P4P4 3.07 ± 0.093.07 ± 0.09 0.782 ± 0.0060.782 ± 0.006 7.99 ± 0.197.99 ± 0.19 0.49 ± 0.010.49 ± 0.01 7.587.58 P5P5 3.52 ± 0.103.52 + - 0.10 0.789 ± 0.0040.789 ± 0.004 8.86 ± 0.178.86 ± 0.17 0.50 ± 0.020.50 0.02 8.588.58

a : 블렌드 비율은 1.3(공여체) : 1(수용체) w/w이고, 상기 블렌드에는 첨가제로서 1, 8-디아이오딘옥탄(1, 8-diiodooctance, DIO) 1 부피%가 함유됨. 고분자 태양전지는 ITO/ZnO/활성층/MoO3/Ag의 반전형 구조로 형성됨. 표의 값은 P1 ~ P5 고분자를 포함한 태양전지를 각각 6 개 이상 제조하여 측정된 PCE의 평균값a: The blend ratio is 1.3 (donor): 1 (acceptor) w / w, and the blend contains 1 vol% of 1,8-diiodooctane (DIO) as an additive. Polymer solar cells are formed with an inverted structure of ITO / ZnO / active layer / MoO 3 / Ag. The values in the table are the average values of PCE measured by manufacturing six or more solar cells including P1 ~ P5 polymer

b : EQE 측정에 의해 계산된 Jscb: Jsc value calculated by EQE measurement

< 실험예 4 > AFM에 의한 블렌드 형태(Blend morphology) 측정Experimental Example 4 Measurement of Blend Morphology by AFM

활성층의 블렌드 형태에서 셀레노펜 조성비에 따른 효과를 설명하기 위해 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM)으로 분석하였다. 반도체 고분자에 대한 엑시톤(exciton) 확산 길이는 수 나노미터 이내이기 때문에, 활성층에서 고분자 블렌드는 고분자의 공여체와 수용체 사이가 수십 나노미터 스케일로 상 분리 되어야 한다. 도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 조성비의 삼원 공중합체(P1 ~ P5)에 PTB7이 포함된 블렌드 필름은 0.61 ~ 0.88 nm 범위의 제곱 평균 제곱근(root mean square) 거칠기를 가진다. 또한, 수십 나노미터 스케일을 가지면서 복연속적이고 균일하게 상 분리된 미세구조는 상기 삼원 공중합체(P1 ~ P5)에 PTB7이 포함된 블렌드 필름에서 모두 관찰되었고, 이는 효율적인 전하 분리가 된다. 또한, 잘 혼합된 상(phase)이 유지되는 동안 상기 AFM 이미지는 삼원 공중합체에서 다양한 셀레노펜의 조성비는 상기 블렌드에서 미세 섬유 형태에 영향을 미치는 것을 보여준다. 특히, P5 필름은 매우 잘 구별되는 미세 섬유의 구조를 보여주고, 이는 GIXS 결과를 통해 확인하였다. 따라서, 셀레노펜의 조성비를 가장 많이 가지고 있는 P5 필름은 높은 PCE 값을 가지는 all-PSCs를 제조할 수 있는데, 이는 잘 발전된 미세 섬유 구조를 통한 높은 전자 이동성에 기인한다. 아울러, 고분자 공여체/수용체의 인터페이스에서 고분자 패팅 구조와 배열은 PNDI2HD의 기본 골격에서 셀레노펜의 결합에 의해 영향을 받으며, 이는 광전지 성능을 위해 중요한 기여를 한다. 따라서, 본 발명은 고분자 공여체와 수용체 사이의 인터페이스에서 삼원 공중합체의 패킹 구조와 배열을 설명할 수 있다. The effect of the selenophene composition ratio on the active layer blend was analyzed by atomic force microscopy (AFM). Since the exciton diffusion length to the semiconductor polymer is within a few nanometers, the polymer blend in the active layer must phase-separate between the donor and the acceptor of the polymer on a scale of several tens of nanometers. As shown in FIG. 10, the blend film containing PTB7 in the terpolymers (P1 to P5) having various composition ratios according to an embodiment of the present invention has a root mean square roughness in the range of 0.61 to 0.88 nm I have. In addition, the microstructure which has a multi-continuous and homogeneously phase separated with a scale of several tens of nanometers was observed in all the blend films containing PTB7 in the terpolymers (P1 to P5), which leads to efficient charge separation. Also, while maintaining a well mixed phase, the AFM image shows that the composition ratio of the various selenophenes in the terpolymer affects the shape of the fine fibers in the blend. In particular, P5 films show very fine structure of fine fibers, which is confirmed by GIXS results. Therefore, the P5 film having the highest composition ratio of selenophenes can produce all-PSCs having a high PCE value due to high electron mobility through a well-developed microfiber structure. In addition, the polymer-patting structure and arrangement at the polymer donor / acceptor interface is influenced by the binding of selenophene in the basic skeleton of PNDI2HD, which makes an important contribution to photovoltaic performance. Therefore, the present invention can explain the packing structure and arrangement of the terpolymer at the interface between the polymer donor and the acceptor.

서로 다른 T/S 조성비를 가지는 P(NDI2HD-T-S) 삼원 공중합체(P1-P5)의 새로운 시리즈는 성공적으로 합성되었다. 상기 삼원 공중합체의 결정성은 상기 T/S 조성비에 따라 조직적으로 조정하였다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼원 공중합체는 T/S 조성비에 따라 광학적, 전기화학적, 전기적 및 광전지적 특성이 개선되었다. 높은 함량의 셀레노펜이 도입되면 삼원 공중합체의 강한 결정성(큰 LC 값과 더 발달된 미세섬유 구조)이 유도되어, 전자 이동성을 현저하게 향상시켰다. 또한, 높은 함량의 셀레노펜이 결합되면 에너지 변환 효율이 2.50 % (P1)에서 3.60 % (P5)까지 현저하게 상승되는 장점이 있다. A new series of P (NDI2HD-T-S) terpolymers (P1-P5) with different T / S composition ratios have been successfully synthesized. The crystallinity of the terpolymer was systematically adjusted according to the T / S composition ratio. The ternary copolymer according to one embodiment of the present invention has improved optical, electrochemical, electrical and photoelectric properties depending on the T / S composition ratio. The introduction of a high content of selenophene resulted in a strong crystallinity (large LC value and a more developed microfiber structure) of the terpolymer, which markedly enhanced electron mobility. Also, when the high content of selenophenes is combined, the energy conversion efficiency is remarkably increased from 2.50% (P1) to 3.60% (P5).

따라서, 본 발명은 고분자의 분자 내의 조립을 제어하는 삼원 공중합체 접근이 매우 중요하고, 상기 삼원 공중합체는 전자 이동성을 촉진시켰다. 또한, 본 발명은 고성능의 all-PSC에 대해서 n형 고분자 수용체의 제조에 대한 가이드라인을 제시할 수 있다. Therefore, the present invention is very important for the ternary copolymer approach to control the intramolecular assembly of polymers, and the ternary copolymers promoted electron mobility. In addition, the present invention can provide guidelines for the production of n-type polymeric receptors for high performance all-PSC.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (7)

삭제delete 삭제delete 하기 화학식 1로 표시되는 전자 수용체 고분자의 제조방법에 있어서, 하기 단계를 포함하는 방법 :
NDI2HD, 2,5-Bis(trimethylstannyl)-thiophene(T), 및 2,5-bis(trimethylstannyl)-selenophene(S)을 마이크로웨이브 유리병에 투입하고 자석 교반기로 교반하여 제 1 혼합물을 제조하는 단계(S1);
상기 제 1 혼합물에 Pd2(dba)3, P(o-tolyl)3 및 무수 톨루엔과 무수 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF)을 투입한 후 마이크로웨이브 반응기에 넣고 스틸레 커플링(stille coupling) 반응을 하여 제 2 혼합물을 제조하는 단계(S2);
상기 제 2 혼합물을 실온에서 냉각시킨 후 알코올에 침전시키는 단계(S3);
상기 알코올에 침전된 제 2 혼합물을 유기용매로 추출 및 정제하는 단계(S4); 및
상기 정제된 제 2 혼합물을 진공상태에서 건조하는 단계(S5).
[화학식1]
Figure 112016083329275-pat00006

여기서, 상기 x는 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1의 당량(equivalent)을 의미함.
1. A method for producing an electron acceptor polymer represented by the following formula (1), comprising the steps of:
(T), 2,5-bis (trimethylstannyl) -selenophene (S) were added to a microwave glass bottle and stirred with a magnetic stirrer to prepare a first mixture (S1);
Pd 2 (dba) 3 , P ( o- toluyl) 3 and anhydrous toluene and N, N-dimethylformamide (DMF) were added to the first mixture, A step (S2) of producing a second mixture by a stille coupling reaction;
Cooling the second mixture at room temperature and precipitating in alcohol (S3);
(S4) extracting and purifying the second mixture precipitated in the alcohol with an organic solvent; And
And drying the purified second mixture in vacuum (S5).
[Chemical Formula 1]
Figure 112016083329275-pat00006

Here, x represents an equivalent of 0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.
제 3 항에 있어서,
상기 전자 수용체 고분자는 π-π 스태킹을 형성하는 것을 특징으로 하는 전자 수용체 고분자의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the electron acceptor polymer forms? -Π stacking.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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