KR101833215B1 - Organic semiconducting compounds, manufacturing method thereof, and organic electronic device containing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우수한 전기특성을 가지는 유기 태양전지의 유기반도체 화합물 그리고 대면적 서브-모듈 유기 태양전지 소자에서 세계 최고의 광-전 변환 효율을 나타내는 화합물, 이의 제조방법 및 이를 함유하는 유기 전자 소자에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a compound that exhibits the highest light-to-electricity conversion efficiency in an organic semiconductor compound of an organic solar cell having an excellent electric characteristic and a large-area sub-module organic solar cell device, a method for producing the same, and an organic electronic device containing the same .

Description

유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유기 전자 소자 {Organic semiconducting compounds, manufacturing method thereof, and organic electronic device containing the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an organic semiconductor compound, a method for producing the same, and an organic electronic device including the organic semiconductor compound.

본 발명은 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유기 전자 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신규 플루오린을 가지는 티오펜비닐렌을 포함하는 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유기 전자 소자에 관한 것이다. 본 발명의 유기 반도체 화합물은 고효율 단위셀 및 대면적 모듈 태양전지소자에 적합한 고성능 유기 반도체 화합물이다. The present invention relates to an organic semiconductor compound, a method for producing the organic semiconductor compound, and an organic electronic device including the organic semiconductor compound, and more particularly, to an organic semiconductor compound containing thiophene-vinylene having a novel fluorine, Device. The organic semiconductor compound of the present invention is a high-performance organic semiconductor compound suitable for a high-efficiency unit cell and a large-area module solar cell device.

태양광 산업은 2009년에 세계적으로 6GW 이상의 설치량을 보이면서 300억 불 시장의 독립적인 산업국을 형성하였으며 21세기 중반까지도 지속적인 급성장세가 예상되고 있다. In 2009, the photovoltaic industry has installed more than 6GW in the world, forming an independent industrial country of $ 30 billion market, and it is expected to continue to grow rapidly until mid-21st century.

현재의 주종 품목은 태양광 발전시장에서 압도적인 용도를 갖는 결정질 실리콘 태양전지이지만 최근 들어 a-Si, CdTe, CIGS 등 무기계 박막 태양전지들의 시장 점유율이 꾸준히 증가하고 있고 실제로 2009년에는 20% 수준까지 상승하였다. 또한 염료감응형 및 유기 박막형으로 대변되는 유기 태양전지들은 아직 본격적으로 시장에 진입하고 있지는 못하지만 값싼 재료비와 공정비, 그리고 가볍고 유연하며 투명한 특성들을 내세워 앞으로 예상되는 ‘ubiquitous solar' 시대를 선도할 수 있는 또 다른 가능성을 제시하고 있다. 현재는 성능이 낮아 활용에 다소 제한이 있기는 하지만 앞으로 10% 이상의 고효율이 확보되면 본격적으로 건물의 창이나 발코니 등에 설치하여 수려한 외관을 창출하며 동시에 전기를 생산해내는 소위 BIPV (building integrated photovoltaic system) 용도에 크게 쓰여 질 것으로 예상된다. 또한 장래에는 다양한 유연성 디스플레이와 군수용, 실내용 그리고 일회용 태양전지 등 21세기 solar 시대를 뒷받침하는 다양한 에너지원 역할을 할 것으로 기대된다. Current major products are crystalline silicon solar cells, which have overwhelming use in the solar power market. In recent years, however, market share of inorganic thin film solar cells such as a-Si, CdTe and CIGS has been steadily increasing. Respectively. In addition, organic solar cells represented by dye-sensitized and organic thin-film type are not yet entering the market in earnest, but they can lead the ubiquitous solar era, which is expected in the future by promoting cheap material cost, process cost, and light, Another possibility is presented. However, if the efficiency is higher than 10% in the future, it will be used for building integrated photovoltaic system (BIPV), which creates a beautiful appearance by installing it on a window or a balcony of a building It is expected to be largely written on. In the future, it is expected to serve as a diverse energy source supporting various flexible displays, military, indoor, and disposable solar cells.

그러나 유기 태양전지의 가능성이 처음 제시되었던 1970년대에는 효율이 너무 낮아 실용성이 없었으며, 1986년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)의 탕(C.W. Tang)이 프탈로시아닌 구리(copper phthalocyanine, CuPc)와 페릴렌 테트라카복실산(perylene tetracarboxylic acid) 유도체를 이용한 이중층 구조로 다양한 태양전지로서의 실용화 가능성을 보이자, 유기 태양전지에 대한 관심과 연구가 급속도로 증가하며 많은 발전을 가져왔다. 이후 1995년에는 유(Yu) 등에 의해 BHJ(bulk-heterojunction) 개념이 도입되었고, PCBM과 같이 용해도가 향상된 플러렌(fullerene) 유도체가 n 형 반도체 물질로 개발되면서 유기 태양전지는 효율 면에서 획기적인 발전이 있었다. In 1986, Eastman Kodak's CW Tang produced copper phthalocyanine (CuPc) and perylenetetracarboxylic acid (CuPc) in 1986. However, in the 1970s when the possibility of organic solar cells was first suggested, efficiency was too low to be practical. (perylene tetracarboxylic acid) derivatives, the interest and research on organic solar cell have been rapidly increasing and the development has been made. In 1995, Yu and Yu introduced the concept of bulk-heterojunction (BHJ). Fullerene derivatives such as PCBM, which have improved solubility, have been developed as n-type semiconductor materials. there was.

특히, 유기 태양전지는 2000년 이후 연구가 급격히 증가 하였고, 용액공정으로 광활성을 도입할 수 있는 고분자 태양전지는 2000년 초 PPV계 고분자를 PCBM과의 bulk-hetero junction 개념을 도입함으로서 의미있는 수준의 효율을 얻기 시작하여, P3HT를 광활성층으로 사용함으로써 4~6% 의 효율을 일반적으로 얻을 수 있게 되었고, 이러한 결과로 학계와 산업계의 관심을 끌어 새로운 소재와 소자 구조를 개발하려는 시도들이 2005년 이후 본격적으로 시작되었다. In particular, the research of organic solar cells has rapidly increased since 2000, and polymer solar cells capable of introducing photoactive by a solution process have introduced a bulk-hetero junction concept with PCBM in the early 2000s, By using P3HT as a photoactive layer, efficiency of 4 ~ 6% has been generally obtained. As a result, attempts to develop new materials and device structures by attracting attention from academia and industry have been made since 2005 It started in earnest.

고분자 태양전지의 경우 새로운 소자 구성 및 공정 조건의 변화 등으로 효율의 향상이 두드러지고 있어, 여전히 기존의 물질을 대체하기 위해 낮은 밴드갭(bandgap)을 지니는 주개(donor)물질과 전하 이동도가 좋은 새로운 받개(acceptor)물질들의 개발이 지속적으로 연구개발이 요구되고 있다. 현재까지, 유기 태양전지 재료의 경우 최고 10%의 효율을 보고하고 있다. 하지만 유기 태양전지의 상업화를 위해서는 태양전지 소자의 대면적화가 이루어져야 한다. 하지만, 현재 보고되고 있는 고효율의 유기 태양전지 재료의 경우 0.1 cm2의 광활성층 면적을 가지고 있어 상업화에는 무리가 있다. In the case of polymer solar cells, improvement of efficiency is prominent due to new device configuration and process conditions change. In order to replace existing materials, donor materials with low bandgap and high charge mobility The development of new acceptor materials continues to require research and development. To date, organic solar cell materials have reported efficiencies of up to 10%. However, in order to commercialize organic solar cells, it is necessary to make large-area solar cell devices. However, the currently reported high efficiency organic solar cell materials have a photoactive layer area of 0.1 cm 2 , which makes commercialization difficult.

또한 광활성층의 면적이 넓어질수록 효율 감소를 일으켜 기존의 광활성 재료로는 어려움을 겪고 있다. 그리고 현재까지 보고되고 있는 유기 태양전지의 광활성 재료의 경우 100nm 미만의 매우 얇은 박막에서 우수한 성능을 나타내고 있다. 상업화를 위해서는 롤-투-롤 공정, slot-die 프린팅, ink-jet 프린팅을 이용해야 하는데 위와 같은 얇은 박막은 실제 상업화를 위한 공정으로는 어려움이 있다. Also, as the area of the photoactive layer is widened, the efficiency is lowered and the conventional photoactive material suffers difficulties. In addition, the photoactive materials of organic solar cells, which have been reported to date, exhibit excellent performance in very thin films of less than 100 nm. For commercialization, it is necessary to use roll-to-roll process, slot-die printing, and ink-jet printing. Thin film is difficult to commercialize.

즉, 유기 태양전지의 상업화를 위해서는 두꺼운 두께(약 200nm 이상)의 광활성층에서도 우수한 효율, 그리고 넓은 면적에서도 우수한 효율이 나타낼 수 있는 재료 개발이 절실하다. In other words, for the commercialization of organic solar cells, it is urgent to develop materials that exhibit excellent efficiency in a photoactive layer of a thick thickness (about 200 nm or more) and excellent efficiency in a large area.

한국 공개특허 10-2013-0069445Korean Patent Publication No. 10-2013-0069445 한국 공개특허 10-2014-0125924Korean Patent Publication No. 10-2014-0125924

Nature Commun. 5, 5293 (2014)Nature Commun. 5, 5293 (2014)

본 발명은 대면적 서브 모듈 유기 태양전지에 최적화된 고성능 유기 재료로, 플루오린을 가지는 티오펜비닐렌을 포함하는 유기 반도체 화합물을 제공한다. The present invention provides an organic semiconductor compound containing thiophene-vinylene having fluorine as a high-performance organic material optimized for a large-area submodule organic solar cell.

또한 본 발명은 본 발명의 유기반도체 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing the organic semiconductor compound of the present invention.

또한 본 발명은 본 발명의 유기반도체 화합물을 함유하는 유기 전자 소자를 제공한다.The present invention also provides an organic electronic device containing the organic semiconductor compound of the present invention.

또한 본 발명은 본 발명의 유기반도체 화합물을 함유하는 단위셀 및 적층 대면적 서브 모듈 유기태양전지 소자를 제공한다. The present invention also provides a unit cell containing the organic semiconductor compound of the present invention and a stacked-area submodule organic solar cell device.

본 발명은 상용화에 직접적으로 연관있는 대면적 서브 모듈 태양전지에서 우수한 성능을 나타낼 수 있는 유기 반도체 화합물을 제공하는 것이고, 대면적 서브 모듈 태양전지에서 세계 최고 효율을 나타내는 유기 태양전지 광활성 유기 반도체 화합물을 제공하는 것으로, 보다 상세하게는 플루오린을 가지는 티오펜비닐렌을 포함하는 유기 반도체 화합물을 제공한다. The present invention provides an organic semiconducting compound capable of exhibiting excellent performance in a large-area submodule solar cell directly related to commercialization, and it is an object of the present invention to provide an organic semiconducting compound of an organic solar cell that exhibits the world's highest efficiency in a large- And more particularly to an organic semiconductor compound containing thiophene-vinylene having fluorine.

본 발명의 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다:The organic semiconductor compound of the present invention is represented by the following Formula 1:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112015113458811-pat00001
Figure 112015113458811-pat00001

[상기 화학식 1에서,[In the above formula (1)

A는 C6-C30아릴렌 또는 C3-C30헤테로아릴렌이며;A is C 6 -C 30 arylene or C 3 -C 30 heteroarylene;

상기 A의 아릴렌 및 헤테로아릴렌은 C1-C30알킬, C1-C30알콕시, C1-C30알킬티오, C3-C30사이클로알킬, C1-C30알콕시C1-C30알킬, C6-C30아릴, C6-C30아릴C1-C30알킬, C1-C30알콕시C6-C30아릴, C3-C30헤테로아릴, C3-C30헤테로아릴C1-C30알킬, C1-C30알킬C3-C30헤테로아릴 및 C1-C30알콕시C3-C30헤테로아릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;The arylene and heteroarylene of A may be substituted by one or more substituents selected from the group consisting of C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy, C 1 -C 30 alkylthio, C 3 -C 30 cycloalkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 1 -C 30 alkyl, C 6 -C 30 aryl, C 6 -C 30 aryl C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 6 -C 30 aryl, C 3 -C 30 heteroaryl, C 3 -C 30 heteroaryl Which may be further substituted with one or more substituents selected from the group consisting of aryl C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkyl C 3 -C 30 heteroaryl and C 1 -C 30 alkoxy C 3 -C 30 heteroaryl, ;

n은 1 내지 2000의 정수이고;n is an integer from 1 to 2000;

상기 헤테로아릴 및 헤테로아릴렌은 N, O 및 S로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다.]Wherein said heteroaryl and heteroarylene comprise at least one heteroatom selected from N, O and S.

본 발명의 유기 반도체 화합물은 전자 주게인 플루오린을 가지는 티오펜비닐렌과 다양한 전자 받게(화학식 1에서 A를 나타냄)와의 공중합을 통하여 단위셀 유기 전자 소자, 구체적으로 대면적 (6600mm2) 서브 모듈 태양전지 소자에 이용될 수 있다. The organic semiconductor compound of the present invention is produced by copolymerizing thiophene-vinylene having electron donor fluorine with various electron acceptors (represented by A in Chemical Formula 1) to form a unit cell organic electronic device, specifically, a large-area (6600 mm 2 ) And can be used for solar cell devices.

특히 본 발명의 유기 반도체 화합물은 분자 내에 플루오린 원자를 도입하여 이에 의한 HOMO 에너지 준위의 내려감 현상과 더불어 우수한 결정성을 나타내며, 향상된 정공과 전자 이동도, 그리고 나노 구조(nano structure)를 구현할 수 있으며 이를 이용한 단위셀 유기 태양전지 소자에서 세계 최고 수준의 성능을 나타내었을 뿐만 아니라, 대면적 서브-모듈 유기 태양전지 소자에서도 세계 최고의 성능을 구현하였다. In particular, the organic semiconductor compound of the present invention has a high crystallinity as well as a lowering of the HOMO energy level by introducing fluorine atoms into the molecule, and can realize improved hole and electron mobility and nano structure In addition to exhibiting the world's best performance in the unit cell organic solar cell device using the same, it achieved the world's best performance in the large-area sub-module organic solar cell device.

본 발명에 기재된 “알킬”, “알콕시” 및 그 외 “알킬” 부분을 포함하는 치환체는 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함한다.Substituents comprising " alkyl ", " alkoxy " and other " alkyl " moieties described in the present invention include both straight chain and branched forms.

본 발명에 기재된 “아릴”은 하나의 수소 제거에 의한 방향족 탄화수소로부터 유도된 유기 라디칼로, 각 고리에 적절하게는 4 내지 7개, 바람직하게는 5 또는 6개의 고리원자를 포함하는 단일 또는 융합고리계를 포함한다. 구체적인 예로 페닐, 나프틸, 비페닐, 안트릴, 플루오레닐, 페난트릴, 트라이페닐레닐, 피렌일, 페릴렌일, 크라이세닐, 나프타세닐, 플루오란텐일 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.&Quot; Aryl ", as used herein, refers to an organic radical derived from an aromatic hydrocarbon by the removal of one hydrogen, with a single or fused ring containing in each ring suitably 4 to 7, preferably 5 or 6 ring atoms . Specific examples include, but are not limited to, phenyl, naphthyl, biphenyl, anthryl, fluorenyl, phenanthryl, triphenylenyl, pyreneyl, perylenyle, klycenyl, naphthacenyl, fluoranthenyl and the like.

본 발명에 기재된 「헤테로아릴」은 방향족 고리 골격 원자로서 N, O 및 S로부터 선택되는 1 내지 4개의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 방향족 고리 골격 원자가 탄소인 아릴 그룹을 의미하는 것으로, 5 내지 6원 단환 헤테로아릴, 및 하나 이상의 벤젠환과 축합된 다환식 헤테로아릴이다. 또한, 본 발명에서의 헤테로아릴은 하나 이상의 헤테로아릴이 단일결합으로 연결된 형태도 포함한다. 구체적인 예로 퓨릴, 티오펜일, 피롤릴, 이미다졸릴, 피라졸릴, 티아졸릴, 이소티아졸릴, 이속사졸릴, 옥사졸릴, 피리딜 등의 단환 헤테로아릴, 벤조퓨란일, 다이벤조퓨란일, 다이벤조티오페일, 벤조티오펜일, 이소벤조퓨란일, 벤조이미다졸릴, 벤조티아졸릴, 벤조이소티아졸릴, 벤조이속사졸릴, 벤조옥사졸릴, 퀴놀릴, 이소퀴놀릴, 카바졸릴 등의 다환식 헤테로아릴 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.&Quot; Heteroaryl " in the present invention means an aryl group having 1 to 4 hetero atoms selected from N, O and S as the aromatic ring skeletal atoms and the remaining aromatic skeletal atom carbon, Monocyclic heteroaryl, and condensed polycyclic heteroaryl with one or more benzene rings. The heteroaryl in the present invention also includes a form in which one or more heteroaryl is connected to a single bond. Specific examples thereof include monocyclic heteroaryl such as furyl, thiophenyl, pyrrolyl, imidazolyl, pyrazolyl, thiazolyl, isothiazolyl, isoxazolyl, oxazolyl and pyridyl, benzofuranyl, dibenzofuranyl, Examples of the polycyclic heterocycle such as benzothiophenyl, benzothiophenyl, isobenzofuranyl, benzoimidazolyl, benzothiazolyl, benzoisothiazolyl, benzoisoxazolyl, benzoxazolyl, quinolyl, isoquinolyl, Aryl, and the like.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1의 유기반도체 화합물에서 상기 A는 C3-C30헤테로아릴렌으로, 바람직하게는 하기 구조에서 선택되는 하나 이상의 헤테로아릴렌일 수 있다:In the organic semiconductor compound of Formula 1 according to an embodiment of the present invention, A may be C 3 -C 30 heteroarylene, preferably one or more heteroarylene selected from the following structures:

Figure 112015113458811-pat00002
Figure 112015113458811-pat00002

[상기 구조에서, X1 및 X2는 각각 독립적으로 O 또는 S이고;[Wherein X 1 and X 2 are each independently O or S;

R1, R2, R5 및 R6은 각각 독립적으로 수소, C1-C30알킬, C1-C30알콕시, C1-C30알킬티오, C3-C30사이클로알킬, C1-C30알콕시C1-C30알킬, C6-C30아릴, C6-C30아릴C1-C30알킬, C1-C30알콕시C6-C30아릴, C3-C30헤테로아릴, C3-C30헤테로아릴C1-C30알킬, C1-C30알킬C3-C30헤테로아릴 또는 C1-C30알콕시C3-C30헤테로아릴이고;R 1, R 2, R 5 and R 6 are each independently hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy, C 1 -C 30 alkylthio, C 3 -C 30 cycloalkyl, C 1 - C 30 alkoxycarbonyl C 1 -C 30 alkyl, C 6 -C 30 aryl, C 6 -C 30 aryl C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 6 -C 30 aryl, C 3 -C 30 heteroaryl, , C 3 -C 30 heteroaryl C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkyl C 3 -C 30 heteroaryl or C 1 -C 30 alkoxy C 3 -C 30 heteroaryl;

R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이다.]R 3 and R 4 are each independently hydrogen or halogen.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1의 유기반도체 화합물에 있어서, 상기 유기반도체 화합물은 바람직하게 하기 화학식 2 로 표시될 수 있다.In the organic semiconductor compound of Formula 1 according to an embodiment of the present invention, the organic semiconductor compound may be represented by Formula 2 below.

[화학식 2](2)

Figure 112015113458811-pat00003
Figure 112015113458811-pat00003

[상기 화학식 2에서,[In the formula (2)

R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, C1-C30알킬, C3-C30사이클로알킬, C1-C30알콕시C1-C30알킬, C6-C30아릴C1-C30알킬 또는 C3-C30헤테로아릴C1-C30알킬이고;R 1 and R 2 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 3 -C 30 cycloalkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 1 -C 30 alkyl, C 6 -C 30 aryl C 1 -C 30 Alkyl or C 3 -C 30 heteroaryl C 1 -C 30 alkyl;

R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 플루오르이고;R 3 and R 4 are each independently hydrogen or fluorine;

n은 1 내지 2000의 정수이다.]and n is an integer of 1 to 2000.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 2의 유기반도체 화합물에 있어서, 높은 전하이동도 및 높은 전자 밀도와 함께 유기용매에 대한 높은 용해도를 가지기 위한 측면에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1-C30알킬일 수 있으며, 바람직하게는 C6-C30알킬일 수 있으며, 보다 바람직하게는 C8-C25알킬일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 R1 및 R2는 각각 독립적으로

Figure 112015113458811-pat00004
일 수 있으며, 여기서 a는 1 내지 5의 정수이고, R은 분지쇄의 C9-C20알킬일 수 있다.In the organic semiconductor compound of Formula 2 according to an embodiment of the present invention, R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 group in order to have high charge mobility and high electron density and high solubility in an organic solvent. may be -C 30 alkyl, preferably C 6 -C 30 alkyl may be, more preferably C 8 -C 25 alkyl may be, more preferably, R 1 and R 2 than are, each independently
Figure 112015113458811-pat00004
Where a is an integer from 1 to 5 and R may be branched C 9 -C 20 alkyl.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 유기반도체 화합물은 하기 구조에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정이 되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the organic semiconductor compound of the present invention may be selected from the following structures, but is not limited thereto.

Figure 112015113458811-pat00005
Figure 112015113458811-pat00005

Figure 112015113458811-pat00006
Figure 112015113458811-pat00006

상기 n은 1 내지 2000의 정수이다.And n is an integer of 1 to 2000.

또한 본 발명은 하기 화학식 3의 주석 화합물과 하기 화학식 4의 할라이드 유도체를 공중합 반응시켜 상기 화학식 1로 표시되는 유기반도체 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for preparing an organic semiconductor compound represented by Formula 1 by copolymerizing a tin compound represented by Formula 3 and a halide derivative represented by Formula 4 below.

[화학식 3](3)

Figure 112015113458811-pat00007
Figure 112015113458811-pat00007

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112015113458811-pat00008
Figure 112015113458811-pat00008

[상기 화학식 3 및 4에서,[In the above formulas (3) and (4)

A는 C6-C30아릴렌 또는 C3-C30헤테로아릴렌이며, 상기 A의 아릴렌 및 헤테로아릴렌은 C1-C30알킬, C1-C30알콕시, C1-C30알킬티오, C3-C30사이클로알킬, C1-C30알콕시C1-C30알킬, C6-C30아릴, C6-C30아릴C1-C30알킬, C1-C30알콕시C6-C30아릴, C3-C30헤테로아릴, C3-C30헤테로아릴C1-C30알킬, C1-C30알킬C3-C30헤테로아릴 및 C1-C30알콕시C3-C30헤테로아릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;A is C 6 -C 30 arylene or C 3 -C 30 heteroarylene and the arylene and heteroarylene of A are selected from the group consisting of C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy, C 1 -C 30 alkyl alkylthio, C 3 -C 30 cycloalkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 1 -C 30 alkyl, C 6 -C 30 aryl, C 6 -C 30 aryl C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 6 -C 30 aryl, C 3 -C 30 heteroaryl, C 3 -C 30 heteroaryl, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkyl, C 3 -C 30 heteroaryl and C 1 -C 30 alkoxy C 3 It may further be substituted by one or more substituents selected from the group consisting of -C 30 heteroaryl, and;

Y는 할로겐이고;Y is halogen;

n은 1 내지 2000의 정수이고;n is an integer from 1 to 2000;

상기 헤테로아릴 및 헤테로아릴렌은 N, O 및 S로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다.]Wherein said heteroaryl and heteroarylene comprise at least one heteroatom selected from N, O and S.

상기 화학식 3의 주석 화합물과 상기 화학식 4의 할라이드 유도체는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 통상적으로 인정되는 방법으로 제조될 수 있다.The tin compound of Formula 3 and the halide derivative of Formula 4 may be prepared by a conventional method known to those skilled in the art.

또한 본 발명은 본 발명의 유기반도체 화합물을 포함하는 유기전자소자, 특히 유기박막트랜지스터 또는 유기태양전지를 제공한다. 보다 구체적으로 본 발명의 유기반도체 화합물을 광활성층에 함유하는 유기전자소자를 제공한다.The present invention also provides an organic electronic device comprising the organic semiconductor compound of the present invention, particularly an organic thin film transistor or an organic solar cell. More specifically, the present invention provides an organic electronic device containing the organic semiconductor compound of the present invention in a photoactive layer.

본 발명의 유기전자소자는 당업자가 인지할 수 있는 통상적인 유기전자소자라면 모두 가능하나, 일반적으로 유기태양전지는 금속/유기반도체(광활성층)/금속(Metal-Semiconductor or Insulator-Metal, MSM, MIM) 구조로, 높은 일함수를 가지며 투명전극인 ITO(Indium tin oxide)를 음극으로, 높은 일함수를 가진 Ag이나 MoO3 등을 음극으로 사용한다. The organic electronic device of the present invention can be any conventional organic electronic device that a person skilled in the art can recognize. Generally, an organic solar cell is a metal-organic semiconductor (a photoactive layer) / metal (MSM, MIM) structure. ITO (Indium Tin Oxide), which has a high work function and is a transparent electrode, is used as a cathode, and Ag or MoO 3 having a high work function is used as a cathode.

특히, 유기 반도체로 유기반도체 화합물/C60 또는 유기반도체 화합물/C70 복합재를 각각 전자 주게(Donor)와 전자 받게(acceptor)로 사용하는 BHJ (Bulk Hetero Junction)구조를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.In particular, a BHJ (Bulk Hetero Junction) structure in which an organic semiconductor compound / C60 or an organic semiconductor compound / C70 composite is used as an electron donor and an electron acceptor as an organic semiconductor will be described as an example.

먼저 광활성층인 유기반도체 화합물/C60 복합재 용액을 스핀코팅, 잉크젯 프린팅 등의 방법으로 200 nm 정도의 두께로 ITO층 위에 코팅한다. 이 위에 다시 Ag 이나 MoO3 금속을 진공 증착하여 음극으로 사용하게 되는데, 필요에 따라 이 전극과 광활성층 사이에 전하의 수명을 증진시키는 EBL(exciton blocking layer)층을 삽입하기도 한다. 상기 EBL층으로는 ZnO 의 혼합물이 사용될 수 있다.First, the organic semiconductor compound / C60 composite solution, which is a photoactive layer, is coated on the ITO layer to a thickness of about 200 nm by spin coating, inkjet printing or the like. An Ag or MoO3 metal is vacuum deposited on the electrode and used as a cathode. If necessary, an exciton blocking layer (EBL) may be inserted between the electrode and the photoactive layer to improve the lifetime of the charge. As the EBL layer, a mixture of ZnO can be used.

일반적으로 유기 전자 주게(donor)물질 안에서 엑시톤(exciton)의 확산거리는 10-30nm정도이기 때문에 태양광 흡수를 위한 전자 주게(donor)물질의 적절한 두께(100nm이상)보다 훨씬 짧다. 이것은 유기 태양전지의 효율을 제한하는 근본적인 원인 중의 하나인데 기존의 BL(bi-layer)구조로는 이러한 문제점을 해결하기 어렵다. 또한 BL(bi-layer)구조를 이루는 두 가지 물질이 모두 유기물 단분자이기 때문에 증착을 시켜야 하고, 고분자의 경우에는 스핀코팅과 같은 간단한 공정에 의한 제작이 어려웠다. 반면에 고분자 BHJ 구조는 전자 주게(donor, D)와 전자 받게 (acceptor, A) 물질을 섞어 사용하기 때문에 제작공정이 간편하고 D/A(Donor/Acceptor) 계면의 표면적이 크게 증가하기 때문에 전하 분리의 가능성이 커질 뿐만 아니라 전극으로서의 전하 수집 효율도 증가하게 된다.In general, the diffusion distance of excitons in organic donor materials is about 10-30 nm, which is much shorter than the appropriate thickness (over 100 nm) of electron donor materials for solar absorption. This is one of the fundamental reasons for limiting the efficiency of organic solar cells. However, it is difficult to solve such a problem with the conventional bi-layer structure. In addition, since the two materials forming the BL (bi-layer) structure are organic monomolecules, it is necessary to deposit them. In the case of the polymer, it is difficult to manufacture by a simple process such as spin coating. On the other hand, since the polymer BHJ structure uses a mixture of electron donor (D) and electron acceptor (A) materials, the manufacturing process is simple and the surface area of the D / A (donor / And the charge collection efficiency as an electrode is also increased.

이러한 측면에서 본 발명에 따른 유기 태양전지는 BHJ 구조인 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 유기반도체 화합물을 전자 주게 물질로서 사용하고 하기의 전자 받게 물질로부터 선택되는 1종 이상을 혼합하여 활성층을 형성하는 것이 바람직하다. In this respect, the organic solar cell according to the present invention is preferably a BHJ structure, and an organic semiconductor compound according to the present invention is used as an electron-donating material and at least one selected from the following electron- .

Figure 112015113458811-pat00009
Figure 112015113458811-pat00009

상기 전자 받게 물질 중에서도 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM, PCBCR 등의 물질을 사용하는 것이 더욱 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. Among the above electron-accepting materials, it is more preferable to use materials such as PCBM and PCBCR, which are designed to dissolve well in an organic solvent, but the present invention is not limited thereto.

특히 본 발명에서 제작한 대면적 서브-모듈 유기 태양전지 소자는 slot-die 코팅 방법을 통하여 제작 하였으며 전극을 제외한 모든 층은 용액공정을 통하여 이루어 졌다. 자세한 적층형 유기 태양전지 소자 제작은 실시예에 언급한다.In particular, the large-area sub-module organic solar cell device manufactured by the present invention was fabricated through a slot-die coating method, and all layers except for the electrode were formed by a solution process. The production of a detailed laminated organic solar cell element is described in the Examples.

본 발명의 유기 반도체 화합물은 플루오린을 가지는 티오펜비닐렌 신규 전자 주게와 다양한 전자 받게 (화학식 1에서 A를 나타냄)와 공중합된 구조로, 플루오린의 도입으로 인해 우수한 결정성을 나타내며, 향상된 정공과 전자 이동도, 그리고 나노 구조(nano structure)를 구현할 수 있다. 특히, 이와 같은 구조 형성은 두꺼운 광활성층 두께에서 매우 우수한 특성을 나타낸다. 이는 상업화를 위하여 대면적 서브-모듈을 제작하기 위해 롤-투-롤, 잉크젯 프린팅과 같은 장비를 이용하기에 매우 유리하다. The organic semiconductor compound of the present invention has a structure copolymerized with a thiophenvinylene novel electron donor having fluorine and various electron acceptors (represented by A in the formula (1)), exhibits excellent crystallinity due to the introduction of fluorine, Electron mobility, and nano structure. In particular, such structure formation exhibits very good properties in a thick photoactive layer thickness. This is very advantageous for equipment such as roll-to-roll, ink-jet printing to produce large area sub-modules for commercialization.

또한 본 발명에서는 단위셀에서 우수한 성능을 나타내는 재료를 이용하여 대면적 서브 모듈 유기 태양전지를 제작하여 세계 최고 광-전 변환 효율을 달성할 수 있었으며, 이는 유기 태양전지 상업화에 매우 유리한 광활성 재료임을 나타낸다. Also, in the present invention, a large-area submodule organic solar cell was manufactured using a material exhibiting excellent performance in a unit cell, and the world's highest photoelectric conversion efficiency could be achieved. This indicates that the material is a photoactive material highly advantageous for commercialization of an organic solar cell .

따라서 본 발명의 유기 반도체 화합물은 플루오린을 포함하는 티오펜비닐렌을 전자 주게로 도입하여 다양한 전자 받게와 공중합하여, 두꺼운 광활성층에서도 우수한 광-전 변환 효율을 나타내며, 이를 포함하는 대면적 서브 모듈 유기 태양전지 소자에서 세계 최고의 광-전 변환 효율을 나타낸다. Therefore, the organic semiconductor compound of the present invention is an organophosphorous compound containing a fluorine-containing thiophene-vinylene as an electron acceptor and is copolymerized with various electron acceptors to exhibit excellent photoelectric conversion efficiency even in a thick photoactive layer, Exhibits the world's best photoelectric conversion efficiency in organic solar cell devices.

또한 본 발명은 새로운 전자 주개(donor)물질로서 개발된 것으로 기존의 유기태양전지의 최대 에너지 변환효율을 증가시킬 수 있고, 실제 실험실 스케일이 아닌 상업화에 유리한 재료이기 때문에, 유기 태양전지 동향의 브레이크스루(breakthrough)에 해당하는 발명으로서 매우 우수한 효과를 나타낸다. Further, since the present invention has been developed as a new donor material and can increase the maximum energy conversion efficiency of existing organic solar cells and is advantageous for commercialization rather than actual laboratory scale, (breakthrough).

또한 본 발명은 높은 전기특성을 가지는 유기반도체 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing an organic semiconductor compound having high electrical properties.

도 1은 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2의 열적 안정성(TGA) 결과이다.
도 2는 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2의 용액상태의 UV 스펙트럼이다.
도 3은 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2의 필름상태의 UV 스펙트럼이다.
도 4는 실시예 3 및 4에서 제작된 단위셀 유기 태양전지의 J-V 특성 곡선이다.
도 5는 실시예 3 및 4에서 제작된 단위셀 유기 태양전지의 외부 양자효율을 측정한 결과이다.
도 6은 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2의 two-dimensional grazing-incidence X-ray diffraction (2D-GIXD) 이미지이다.
도 7은 (왼쪽) 실제 제작된 대면적 서브-모듈 유기 태양전자의 모식도 및 (오른쪽) 실시예 5에서 제작된 대면적 서브-모듈 유기 태양전지의 J-V 특성 곡선이다.
FIG. 1 shows the thermal stability (TGA) results of Polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2. FIG.
2 is a UV spectrum of a solution state of Polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2. FIG.
3 is a UV spectrum of the film state of Polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2. FIG.
4 is a JV characteristic curve of the unit cell organic solar cell fabricated in Examples 3 and 4.
FIG. 5 shows the results of measurement of external quantum efficiency of the unit cell organic solar cell fabricated in Examples 3 and 4. FIG.
FIG. 6 is a two-dimensional grazing-incidence X-ray diffraction (2D-GIXD) image of Polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2. FIG.
FIG. 7 is a schematic diagram of a large-area sub-module organic solar cell actually manufactured (left) and a JV characteristic curve of the large-area sub-module organic solar cell manufactured in Example 5 (right).

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 제조예 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following Preparation Examples and Examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다. 또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.Here, unless otherwise defined in the technical terms and the scientific terms used, those having ordinary skill in the art to which the present invention belongs have the same meaning as commonly understood by those skilled in the art. Repeated descriptions of the same technical constitution and operation as those of the conventional art will be omitted.

실시예Example

합성에 필요한 모든 시약은 준세이, 알드리치, 알파 및 티시아이에서 구입하였다. 실리카겔(silicagel)은 머크(Merck)에서 구입하였으며, 물질의 정제과정에 쓰인 HPLC용 클로로포름(Chloroform)과 헥산(Hexane), 메탄올(Methanol), 아세톤(Acetone)은 제이 티 베이커(J.T.Baker)에서 구입하였다. All reagents required for synthesis were purchased from Junsei, Aldrich, Alpha and Tixia. Silicagel was purchased from Merck and Chloroform, Hexane, Methanol, and Acetone for HPLC used in the purification process were purchased from JT Baker. Respectively.

본 발명에서 사용된 전자 받개 물질인 4,7-비스(5-브로모-4-(2-옥틸도데실)티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아티아졸과 4,7-비스(5-브로모-4-(2-옥틸도데실)티오펜-2-일)-5,6-디플루오로벤조[c][1,2,5]티아티아졸은 보고된 논문(Nature Commun. 5, 5293 (2014))에 의해 합성되었다. The electron donor material used in the present invention, 4,7-bis (5-bromo-4- (2-octyldodecyl) thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole And 4,7-bis (5-bromo-4- (2-octyldodecyl) thiophen-2-yl) -5,6-difluorobenzo [c] [1,2,5] thiadiazole Was synthesized by a reported paper (Nature Commun. 5, 5293 (2014)).

필름(Film)상태의 UV는 측정 전 0.45μm 실린지 필터를 사용하여 여과한 후, 스핀코팅하여 측정하였다. 유기 태양전지 소자의 전자 받게(acceptor) 물질로는 PCBM([6,6]-phenyl C71-butyric acid methyl ester)를 사용하였다. 1H NMR 스펙트럼은 Varian Mercury Plus 300MHz spectrometer을 사용하였고, 자외선 흡수 스펙트럼은 JASCO JP/V-570으로 측정하였다. 물질의 HOMO Level을 구하기 위하여 순환 전류-전압 분석(Cyclic Voltammetry)은 CH Instruments Electrochemical Analyzer를 이용하여 측정하였고, 태양전지의 J-V 곡선(curve)은 1Kw 솔라 시뮬레이터(Solar simulator, Newport 91192)를 이용하여 측정하였다. IPCE 특성은 Solar cell response/Quantum efficiency/IPCE Measurement system (PV Measurements. Inc.)으로 측정하였다.UV in the film state was measured by filtration using a 0.45 μm syringe filter before measurement and spin coating. PCBM ([6,6] -phenyl C71-butyric acid methyl ester) was used as an electron acceptor material of the organic solar cell device. The 1 H NMR spectrum was measured with a Varian Mercury Plus 300 MHz spectrometer and the ultraviolet absorption spectrum was measured with JASCO JP / V-570. Cyclic voltammetry was measured using a CH Instruments Electrochemical Analyzer to determine the HOMO level of the material and the JV curve of the solar cell was measured using a 1Kw solar simulator (Newport 91192) Respectively. The IPCE characteristics were measured by Solar cell response / Quantum efficiency / IPCE measurement system (PV Measurements, Inc.).

[제조예 1] (E)-1,2-비스(3-플루오로-5-(트리메틸스태닐)티오펜-2-일)에탄 (화합물 ffTVT)의 제조Production Example 1 Production of (E) -1,2-bis (3-fluoro-5- (trimethylstannyl) thiophen-2-yl) ethane (compound ffTVT)

Figure 112015113458811-pat00010
Figure 112015113458811-pat00010

(E)-1,2-비스(3-브로모티오펜-2-일)에탄 (화합물 1)의 제조Preparation of (E) -1,2-bis (3-bromothiophen-2-yl) ethane (Compound 1)

500 mL 둥근 플라스크에 3-브로모티오펜-2-카바알데히드 (14g, 73.2mmol)와 함께 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 THF (100mL) 주입 후, -18℃에서 TiCl4 (12.07mL, 109.8mmol)를 천천히 주입하였다. 30분 후, Zn 분말 (15g, 219.6mmol)를 천천히 주입하고 30분동안 상온에서 교반 후, 50℃에서 4시간 환류하였다. 반응이 완료되면 증류수 (100mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 화합물 1을 얻었다. 수득률: 39% (10 g) 의 깨끗한 E 이성질체를 얻었다. A 500 mL round flask was vacuumed with 3-bromothiophene-2-carbaldehyde (14 g, 73.2 mmol). After THF (100 mL) was added, TiCl 4 (12.07 mL, 109.8 mmol) was slowly added at -18 ° C. After 30 minutes, Zn powder (15 g, 219.6 mmol) was slowly added thereto, stirred at room temperature for 30 minutes, and refluxed at 50 ° C for 4 hours. After completion of the reaction, the mixture was quenched through distilled water (100 mL), the organic layer was extracted with chloroform and brine, and the remaining water was removed with anhydrous magnesium sulfate, and pure compound 1 was obtained by column chromatography. Yield: 39% (10 g) of clear E isomer was obtained.

1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 7.20 (d, 2H), 7.12 (s, 2H), 6.98 (d, 2H) 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3, ppm): δ 7.20 (d, 2H), 7.12 (s, 2H), 6.98 (d, 2H)

13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 132.5, 132.0, 128.2, 124.0, 110.1. 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 , ppm):? 132.5, 132.0, 128.2, 124.0, 110.1.

(E)-1,2-비스(3-브로모-5-(트리메틸실릴)티오펜-2-일)에탄 (화합물 2)의 제조Preparation of (E) -1,2-bis (3-bromo-5- (trimethylsilyl) thiophen-

500 mL 둥근 플라스크에 화합물 1 (10.0g, 28.56mmol)와 함께 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 디에틸에테르 (200mL) 주입 후, -78℃에서 LDA 를 천천히 주입하였다. 그 후, 같은 온도에서 트리메틸실란 클로라이드(trimethylsilane chloride) (7.6mL, 59.97mmol)를 주입한 후, 12시간 상온에서 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수 (100mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 에틸아세테이트와 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 화합물 2을 얻었다.A 500 mL round flask was vacuumed with compound 1 (10.0 g, 28.56 mmol). After injecting diethyl ether (200 mL), LDA was slowly injected at -78 ° C. After that, trimethylsilane chloride (7.6 mL, 59.97 mmol) was poured at the same temperature and stirred at room temperature for 12 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was quenched through distilled water (100 mL), the organic layer was extracted with ethyl acetate and brine, and the remaining water was removed with anhydrous magnesium sulfate, and pure compound 2 was obtained by column chromatography.

수득률: 76% (10.8 g) Yield: 76% (10.8 g)

1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 7.13 (s, 2H), 7.06 (s, 2H), 0.32 (s, 18H) 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3, ppm): δ 7.13 (s, 2H), 7.06 (s, 2H), 0.32 (s, 18H)

13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 138.5, 137.6, 135.3, 125.3, 111.4. -0.91. 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 , ppm):? 138.5, 137.6, 135.3, 125.3, 111.4. -0.91.

(E)-1,2-비스(3-플루오로-5-(트리메틸실릴)티오펜-2-일)에탄 (화합물 3)의 제조Preparation of (E) -1,2-bis (3-fluoro-5- (trimethylsilyl) thiophen-

500 mL 둥근 플라스크에 화합물 2 (10.0g, 20.22mmol)와 함께 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 THF (200mL) 주입 후, -78℃에서 n-BuLi 를 천천히 주입하였다. 그 후, 같은 온도에서 N-플루로오벤젠설폰이미드((PhSO2)2NF) (19.1g, 60.66mmol)를 주입한 후, 12시간 상온에서 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수 100mL를 통해 켄칭(quenching)하고, 에틸아세테이트와 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 화합물 3을 얻었다. A 500 mL round flask was vacuumed with compound 2 (10.0 g, 20.22 mmol). After injecting THF (200 mL), n-BuLi was slowly injected at -78 ° C. Then, N-fluorobenzenesulfonimide ((PhSO 2 ) 2 NF) (19.1 g, 60.66 mmol) was introduced at the same temperature and stirred at room temperature for 12 hours. After completion of the reaction, quenching was carried out with 100 mL of distilled water. The organic layer was extracted with ethyl acetate and brine, and the remaining water was removed with anhydrous magnesium sulfate, and pure compound 3 was obtained by column chromatography.

수득률: 79% (6.1 g) Yield: 79% (6.1 g)

1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 6.92 (s, 2H), 6.88 (s, 2H), 0.31 (s, 18H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3, ppm): δ 6.92 (s, 2H), 6.88 (s, 2H), 0.31 (s, 18H).

13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 140.8, 138.3, 137.1, 132.6, 115.3. -0.88. 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 , ppm):? 140.8, 138.3, 137.1, 132.6, 115.3. -0.88.

(E)-1,2-(E) -1,2- 비스(3-플로오로티오펜-2-일)에탄Bis (3-fluoro-thiophen-2-yl) ethane (화합물  (compound 4)의4) of 제조 Produce

250 mL 둥근 플라스크에 화합물 3 (3.0g, 8.05mmol)에 트리플루오로아세트산 (30mL)과 클로로포름 (30mL)를 주입한 후, 5시간 상온에서 교반시켰다. 반응이 완료되면 증류수 (50mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 화합물 4를 얻었다. Trifluoroacetic acid (30 mL) and chloroform (30 mL) were poured into Compound (3) (3.0 g, 8.05 mmol) in a 250 mL round flask and stirred at room temperature for 5 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was quenched through distilled water (50 mL), and the organic layer was extracted with chloroform and brine. The residual water was removed with anhydrous magnesium sulfate, and pure compound 4 was obtained by column chromatography.

수득률: 80% (2.3 g) Yield: 80% (2.3 g)

1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 6.90 (d, 2H), 6.88 (s, 2H), 6.85 (d, 2H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3, ppm): δ 6.90 (d, 2H), 6.88 (s, 2H), 6.85 (d, 2H).

13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 141.2, 139.8, 137.6, 135.8, 121.1. 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 , ppm):? 141.2, 139.8, 137.6, 135.8, 121.1.

(E)-1,2-비스(3-플루오로-5-(트리메틸스태닐)티오펜-2-일)에탄 (화합물 ffTVT)의 제조Preparation of (E) -1,2-bis (3-fluoro-5- (trimethylstannyl) thiophen-2- yl) ethane (compound ffTVT)

100mL 둥근 플라스크에 THF 100mL 와 LDA를 각각 주입 후, -78℃에서 제조된 4 (1.0g, 4.38 mmol)를 천천히 주입하였다. 그 후, 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride) (1 M in hexanes) 13.14mL를 천천히 주입한 후, 상온에서 2시간 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수 (50mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 재결정을 통해 순수한 화합물 ffTVT를 얻었다. After injecting 100 mL of THF and LDA into a 100 mL round flask, 4 (1.0 g, 4.38 mmol) prepared at -78 ° C was slowly injected. Thereafter, 13.14 mL of trimethyltin chloride (1 M in hexanes) was slowly injected, followed by stirring at room temperature for 2 hours. When the reaction was completed, quenching was carried out with distilled water (50 mL). The organic layer was extracted with chloroform and brine, and the remaining water was removed with anhydrous magnesium sulfate, and pure compound ffTVT was obtained by recrystallization.

수득률: 49% (1.2 g) Yield: 49% (1.2 g)

1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 6.87 (s, 2H), 6.82 (s, 2H), 0.37 (s, 18H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3, ppm): δ 6.87 (s, 2H), 6.82 (s, 2H), 0.37 (s, 18H).

13C NMR (75 MHz, CDCl3, ppm): δ 148.9, 147.6, 143.2, 140.7, 128.4, -8.28. 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 , ppm):? 148.9, 147.6, 143.2, 140.7, 128.4, -8.28.

Anal. Calc. for C16H22: C, 34.69; H, 4.00. Found: C, 34.62; H, 4.02.Anal. Calc. for C16H22: C, 34.69; H, 4.00. Found: C, 34.62; H, 4.02.

[[ 실시예Example 1 및 2] 유기반도체 화합물 (고분자 1 및  1 and 2] Organic semiconductor compounds (polymer 1 and 2)의2) of 제조  Produce

Figure 112015113458811-pat00011
Figure 112015113458811-pat00011

콘덴서가 장착된 둥근 플라스크에 진공 처리하여 수분 및 산소를 제거한 후 화합물 ffTVT (200mg, 0.49mmol)과 4,7-비스(5-브로모-4-(2-옥틸도데실)티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아티아졸(R3=R4=H) 또는 4,7-비스(5-브로모-4-(2-옥틸도데실)티오펜-2-일)-5,6-디플루오로벤조[c][1,2,5]티아티아졸(R3=R4=F) (0.49mmol)를 첨가하고 여기에 무수 톨루엔 (10mL)을 가하여 녹였다. Pd(pph3)4 촉매 (10mg, 0.03eq)를 무수 DMF (1mL)에 녹여 첨가하였다. 120℃에서 48시간동안 교반시킨 후, 반응이 완료되면 생성된 고체를 클로로포름에 녹여 플로리실(Florisil)로 컬럼하여 촉매를 제거하고 메탄올에 재결정하여 보라색 고체를 얻은 후, 얻어진 고체를 메탄올과 아세톤을 사용하여 추출기(Soxhlet)로 정제하여 고분자 화합물 1 및 2을 각각 얻었다. 얻어진 고분자 화합물들의 중량평균분자량(Mw), 수평균분자량(Mn), PDI(polydispersity index) 및 분해온도(decomposition temperature, Td)를 하기 표 1에 기재하였다.(200 mg, 0.49 mmol) and 4,7-bis (5-bromo-4- (2-octyldodecyl) thiophene- yl) benzo [c] [1,2,5] thiazol-thiazol (R 3 = R 4 = H ) or 4,7-bis (5-bromo-4- (2-octyldodecyl) thiophene -2 (R 3 = R 4 = F) (0.49 mmol) was added to the mixture, and anhydrous toluene (10 mL) was added thereto Melted. Pd (pph 3 ) 4 catalyst (10 mg, 0.03 eq) was dissolved in anhydrous DMF (1 mL) and added. After the completion of the reaction, the resulting solid was dissolved in chloroform, and the resulting solution was columned with Florisil to remove the catalyst. The resulting solid was recrystallized from methanol to obtain a purple solid. The resulting solid was dissolved in methanol and acetone And purified by an extractor (Soxhlet) to obtain polymer compounds 1 and 2, respectively. To the weight average molecular weight (Mw), number average molecular weight (Mn), PDI (polydispersity index ) , and the decomposition temperature (decomposition temperature, T d) of the obtained polymer compound shown in Table 1.

고분자Polymer Mn (g/mol)Mn (g / mol) PDIPDI Td(℃)T d (° C) 실시예 1Example 1 고분자 1Polymer 1 41,00041,000 2.02.0 417417 실시예 2Example 2 고분자 2Polymer 2 35,00035,000 2.62.6 426426

상기 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2는 상온에서 일반적인 유기용매인 클로로포름과 THF 및 톨루엔에 잘 용해되었다. 얻어진 고분자 1과 2의 물성 및 광학특성은 도 1 내지 도 3에 도시하였다.The polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2 were well dissolved in chloroform, THF and toluene, which are general organic solvents, at room temperature. The physical properties and optical characteristics of the obtained Polymers 1 and 2 are shown in Figs. 1 to 3.

상기 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2의 열중량분석(TGA)곡선을 도 1에 나타내었으며, 도 1에서 보이는 바와 같이 본 발명의 유기반도체 화합물들은 열적으로 매우 안정한 것을 알 수 있다.The thermogravimetric analysis (TGA) curves of the polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2 are shown in FIG. 1. As shown in FIG. 1, the organic semiconductor compounds of the present invention are thermally stable.

또한 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2를 클로로포름과 같은 유기용매에 용해시켜, 용액상태와 고체 필름상태의 UV 흡수 스펙트럼을 측정하여 도 2 및 도 3에 나타내었다.Also, the polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2 were dissolved in an organic solvent such as chloroform to measure the UV absorption spectrum in a solution state and a solid film state, and they are shown in FIG. 2 and FIG.

도 2 에서 보이는 바와 같이, 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2를 클로로포름 용액상태의 UV 흡수 스펙트럼에서는 공통적으로 300 내지 750 nm의 흡수를 나타내고 특히 강한 진동 피크(vibronic peak)를 관찰 할 수 있는데, 이는 분자간의 강력한 상호작용(interaction)에 의한 피크(peak)로 볼 수 있다. As shown in FIG. 2, the polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2 exhibited an absorption of 300 to 750 nm in common in a UV absorption spectrum in a chloroform solution state, and a particularly strong vibronic peak was observed , Which can be seen as a peak due to strong interactions between molecules.

또한 도 3에 나타낸 바와 같이 실시예 1 에서 제조된 고분자의 필름상태의 UV 흡수 스펙트럼에서는 용액 상태의 흡수 스펙트럼 보다 넓은 영역의 흡수 스펙트럼을 관찰 할 수 있다. 액체 상태일 때 분자들이 넓은 범위에 걸쳐 분포되어 있고 비교적 자유롭게 움직일 수 있지만, 고체 필름 상태일 경우에는 각각의 그룹들의 응집(aggregation)경향 현상으로부터 나타난 결과라고 볼 수 있다. 이와 같이 필름 상태에서의 흡수 스펙트럼을 이용하여 밴드갭(bandgap = 1240/λedge)을 계산해 본 결과, 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2는 1.63 내지 1.62 eV의 밴드갭을 나타내었다. 놀랍게도, 불소가 4개 치환된 고분자 2(실시예 2)의 경우 상대적으로 매우 높은 흡광도를 나타내었으며, 이로부터 유기 태양전지에서 우수한 특성을 예측 할 수 있다. Further, as shown in Fig. 3, in the UV absorption spectrum of the film state of the polymer produced in Example 1, the absorption spectrum in a region wider than the absorption spectrum in the solution state can be observed. In the liquid state, the molecules are distributed over a wide range and can move relatively freely. However, in the case of the solid film state, the aggregation tendency phenomenon of each group can be regarded as a result. As a result of calculation of the bandgap (bandgap = 1240 /? Edge ) using the absorption spectrum in the film state, the polymers 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2 exhibited band gaps of 1.63 to 1.62 eV. Surprisingly, in the case of Polymer 2 (Example 2) in which four fluorine atoms were substituted, it exhibited a relatively high absorbance, and thus it is possible to predict excellent characteristics in organic solar cells.

또한 페로센/페로세늄 레독스 시스템(Ferrocene/Ferrocenium redox system) (-4.8V)을 기준(Reference)으로 고체 필름상태에서 순환전압전류법(Cyclic Voltammertry)을 이용하여 실시예 1 및 2에서 제조된 고분자 1과 2의 HOMO 레벨을 구하였다. 두 종의 고분자의 HOMO 레벨은 고분자 1이 -5.36eV, 그리고 고분자 2가 -5.43 eV를 나타내었다. 전자 받게 능력이 우수한 불소 원자가 많이 포함될수록 분자 내의 전자 밀도가 줄어들어 낮은 HOMO 에너지 준위를 나타내었다. 또한 이를 UV 흡수 스펙트럼에서 계산된 밴드갭과의 차로, 각 고분자의 LUMO 에너지 레벨을 계산해 본 결과, -3.73 내지 -3.81 eV로 계산되었다.In addition, the polymer prepared in Examples 1 and 2 was subjected to cyclic voltammetry using a ferrocene / ferrocenium redox system (-4.8 V) as a reference in a solid film state, HOMO levels of 1 and 2 were obtained. The HOMO levels of the two polymers were -5.36 eV for Polymer 1 and -5.43 eV for Polymer 2. The electron density in the molecule decreased as the amount of fluorine atoms having high electron accepting ability was increased, resulting in a low HOMO energy level. The LUMO energy level of each polymer was calculated as -3.73 to -3.81 eV as a difference from the band gap calculated in the UV absorption spectrum.

[[ 실시예Example 3 및 4]  3 and 4] 단위셀Unit cell 유기태양전지 소자의 제작 Fabrication of organic solar cell device

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물을 광활성층으로 함유하는 단일층 유기태양전지 소자를 아래와 같이 제작하였다.A single layer organic solar cell device containing the organic semiconductor compound according to the present invention as a photoactive layer was prepared as follows.

먼저 깨끗하게 세척한 ITO(Indium tin oxide) 글라스 위에 UV-O3를 처리한 후, ZnO를 5000rpm에서 1분간 스핀코팅한 후, 120℃에서 10분간 열처리하여 10nm 두께의 전자수송 층(Electron transport layer : ETL)을 형성하였다.UV-O 3 was treated on clean ITO (Indium Tin Oxide) glass, and then ZnO was spin-coated at 5000 rpm for 1 minute and then heat-treated at 120 ° C for 10 minutes to form a 10 nm thick electron transport layer ETL).

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물(고분자 1 또는 고분자 2)와 PCBM(C70)을 1 : 1.5의 중량비로 1,2-디클로로벤젠에 첨가한 후 충분한 혼합을 위하여 50℃로 24시간 동안 교반하여 유기반도체 화합물 혼합액을 제조하였다. The organic semiconductor compound (polymer 1 or polymer 2) according to the present invention and PCBM (C70) were added to 1,2-dichlorobenzene at a weight ratio of 1: 1.5 and stirred for 24 hours at 50 ° C for sufficient mixing. Compound mixture was prepared.

질소 하에 상기 유기반도체 화합물 혼합액을 상기 코팅층인 ETL 층상에 스핀코팅하고 다시 120℃로 10분간의 열처리를 하여 하기 표 2에 기재된 두께의 광활성층을 형성한 후, 마지막으로 MoO3 (10 nm) / Ag (100 nm)로 고온 증착하여 유기태양전지 소자를 제작하였다. The organic semiconductor compound mixture solution was spin-coated under nitrogen on the ETL layer as a coating layer and then heat-treated at 120 ° C for 10 minutes to form a photoactive layer having a thickness shown in Table 2. Finally, MoO 3 (10 nm) / Ag (100 nm) at a high temperature to fabricate an organic solar cell device.

제작된 유기태양전지 소자의 광전기력 특성을 조사하기 위하여 솔라 시뮬레이터(Solar simulator)와 복사풀력계(radiant power meter)를 사용하여 AM 1.5 조건의 100mW 태양광을 생성하였고, 1kW solar simulator (Newport 91192)을 사용하여 유기태양전지 소자의 전류밀도-전압(Current density-voltage)특성을 측정하여 그 결과를 도 4에 도시하였다. In order to investigate the photovoltaic characteristics of the fabricated organic solar cell device, a solar simulator and a radiant power meter were used to generate 100 mW photovoltaic cells under AM 1.5 conditions, and a 1 kW solar simulator (Newport 91192) The current density-voltage characteristics of the organic solar cell device were measured using the photolithography method and the results are shown in FIG.

상기 제작된 유기태양전지 소자의 전기적 특성, 즉, Voc(open circuit voltage), JSC(short-circuit current density), FF(fill factor) 및 에너지 변환 효율(η, overall conversion efficiency)의 광전 파라미터(photovoltaic parameter)들을 표 2에 정리하였다.The photovoltaic parameters of the prepared organic solar cell device, that is, the electrical characteristics such as open circuit voltage (V oc ), short-circuit current density (J SC ), fill factor (FF) and overall conversion efficiency (photovoltaic parameters) are summarized in Table 2.

광활성층Photoactive layer 광활성층 두께
[nm]
Photoactive layer thickness
[nm]
V oc
[V]
V oc
[V]
J sc
[mA/cm2]
J sc
[mA / cm 2 ]
FF
[%]
FF
[%]
PCE
[%]
PCE
[%]
실시예 3 Example 3 고분자 1Polymer 1 175175 0.710.71 13.5813.58 6666 6.376.37 실시예 4 Example 4 고분자 2 Polymer 2 200200 0.820.82 15.6515.65 7575 9.639.63

실시예 3 및 4의 유기 태양전지는 각각 6.37% 및 9.63%의 높은 광전 변환 효율을 나타내었다. 특히 실시예 4의 유기 태양전지의 경우 9% 이상의 광전 변환 효율을 가지고 있으며, 이는 세계 최고 수준의 광전 변환 효율에 해당한다. 또한, 놀랍게도 실시예 4의 유기 태양전지는 광활성층의 두께가 200nm로, 두꺼운 두께에서 최고 효율을 나타내었다. 제작된 유기 태양전지 소자의 외부 양자효율을 측정한 결과를 도 5에 도시하였으며, 이로부터 실시예 4의 유기 태양전지는 500-700 nm에서 최대 75% 이상의 우수한 외부 양자 효율을 나타내며, 이는 유기 태양전지 소자에서 우수한 Jsc를 나타낸 결과를 뒷받침해 준다. The organic solar cells of Examples 3 and 4 showed high photoelectric conversion efficiencies of 6.37% and 9.63%, respectively. In particular, the organic solar cell of Example 4 has a photoelectric conversion efficiency of 9% or more, which corresponds to the world's highest level of photoelectric conversion efficiency. Surprisingly, the organic solar cell of Example 4 showed a maximum efficiency at a thickness of 200 nm and a thick thickness of the photoactive layer. FIG. 5 shows the result of measuring the external quantum efficiency of the manufactured organic solar cell device. From this, the organic solar cell of Example 4 exhibits excellent external quantum efficiency of at least 75% at 500-700 nm, Supporting excellent J sc in battery devices.

일반적으로 유기 태양전지는 생성된 엑시톤의 확산거리가 짧아 100nm 미만의 광활성층 두께에서 가장 높은 광-전 변환 효율을 나타낸다. 하지만 본 발명에서 합성된 고분자 2의 경우 도 6에서 나타내는 것과 같이 매우 우수한 결정성 및 유기 태양전지에 유리한 분자 배열을 가지고 있어 이와 같이 두꺼운 광활성층 두께에서도 높은 효율을 나타낸 것이라 예상된다. In general, the organic solar cell exhibits the highest light-to-electricity conversion efficiency at a photoactive layer thickness of less than 100 nm because the diffusion distance of the generated exciton is short. However, in the case of the polymer 2 synthesized in the present invention, as shown in FIG. 6, it is expected that it has a very good crystallinity and a molecular arrangement favorable to an organic solar cell, and thus exhibits high efficiency even with such a thick photoactive layer thickness.

따라서 본 발명에서 개발된 고분자 2는 다양한 롤-투-롤 공정을 통한 대면적 서브-모듈 유기 태양전지 적용에 적합하다. 대면적 서브-모듈 유기 태양전지 소자를 제작하기 위해 단위소자에서 고효율을 나타낸 고분자 2를 선택하여 하기 실시예에서 대면적 서브-모듈 소자를 제작하였다. Therefore, the polymer 2 developed in the present invention is suitable for application to a large-area sub-module organic solar cell through various roll-to-roll processes. In order to fabricate a large-area sub-module organic solar cell device, a polymer 2 exhibiting high efficiency in a unit device was selected to fabricate a large-area sub-module device in the following embodiments.

[[ 실시예Example 5] 대면적 서브-모듈 유기태양전지 소자의 제작 5] Fabrication of large area sub-module organic solar cell device

실시예에서 제조된 고분자 중, 가장 높은 광-전 변환 효율을 나타낸 고분자 2을 새로운 전자 주게 재료로 사용하여 제작한 대면적 서브-모듈 유기태양전지 소자의 광기전력 특성을 알아보고자 도 7(왼쪽)과 같이, [ITO/ZnO/유기반도체화합물(실시예 2의 고분자 2):PCBM(C71)/MoO3/Ag] 구조의 대면적 서브-모듈 유기태양전지소자를 제작하였다. In order to investigate the photovoltaic characteristics of the large-area sub-module organic solar cell device manufactured using the polymer 2 exhibiting the highest light-to-electricity conversion efficiency among the polymers produced in the examples as a new electron donor material, , A large-area sub-module organic solar cell device having a structure of [ITO / ZnO / organic semiconductor compound (polymer 2 of Example 2): PCBM (C71) / MoO 3 / Ag] was prepared.

먼저 깨끗하게 세척한 스트리프 패턴 ITO(Indium tin oxide) 글라스 (길이 100 mm 와 스트리프 길이 8nm) 위에 UV-O3를 처리한 후, 전자수송층인 ZnO 를 100 μm/s의 속도로 100℃에서 슬롯다이 코팅하였다. 슬롯다이 코팅을 통해 ZnO 층을 형성한 후, 200℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 열처리 후 ZnO 층의 두께는 50nm이었다. First, UV-O 3 was treated on a cleaned strip-pattern ITO (Indium tin oxide) glass (length 100 mm and stripe length 8 nm), and then ZnO, an electron transporting layer, was deposited at a rate of 100 μm / Lt; / RTI > The ZnO layer was formed through slot die coating and then heat-treated at 200 ° C for 1 hour. The thickness of the ZnO layer after the heat treatment was 50 nm.

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물(고분자 2)와 PCBM(C70)을 1 : 1.5의 중량비로 1,2-디클로로벤젠에 첨가한 후 충분한 혼합을 위하여 50℃로 24시간 동안 교반하여 유기반도체 화합물 혼합액을 제조하였다. The organic semiconductor compound (polymer 2) according to the present invention and PCBM (C70) were added to 1,2-dichlorobenzene at a weight ratio of 1: 1.5 and stirred at 50 ° C for 24 hours for sufficient mixing to obtain an organic semiconductor compound mixture .

광활성층은 유기반도체 화합물 혼합액을 80℃에서 60 μm/s의 속도로 ZnO 층 상에 슬롯다이 코팅하였으며, 두께는 225 nm이었다. 각 모듈은 11개의 셀로 이루어져있다. The photoactive layer was slot-die-coated on the ZnO layer at a rate of 60 μm / s at 80 ° C. and a thickness of 225 nm. Each module consists of 11 cells.

마지막으로 MoO3 (10 nm) / Ag (80 nm) 전극을 진공증착을 통해 형성하였다. Finally, a MoO 3 (10 nm) / Ag (80 nm) electrode was formed by vacuum deposition.

대면적 서브 모듈 유기 태양전지의 경우 광활성층 면적은 6600 mm2로 계측되었다. In the case of large-area submodule organic solar cells, the photoactive layer area was measured as 6600 mm 2 .

[비교예] PCE10 대면적 서브-모듈 유기 태양전지 소자의 제작[Comparative Example] Fabrication of PCE10 large area sub-module organic solar cell device

본 발명에서 개발된 재료의 성능을 비교하기 위하여 상용화되고 있는 PCE10과 같은 단위셀에서 높은 광-전 변환 효율을 나타내는 재료를 이용하여 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 동일한 면적의 대면적 서브-모듈 유기 태양전지 소자를 제작하였다. In order to compare the performance of the material developed in the present invention, a material showing high light-to-electricity conversion efficiency in a unit cell such as PCE10 that is being commercialized was used and a large area sub-module organic A solar cell device was fabricated.

상기 실시예 5 및 비교예에서 제작된 유기태양전지소자의 광전기력 특성을 조사하기 위하여 솔라 시뮬레이터(Solar simulator)와 복사풀력계(radiant power meter)를 사용하여 AM 1.5 조건의 100mW 태양광을 생성하였고, 1kW 솔라 시뮬레이터 (Newport 91192)을 사용하여 유기태양전지 소자의 전류밀도-전압(Current density-voltage) 특성을 측정하였고 그 결과를 도 7(오른쪽)에 도시하였다. In order to investigate the photovoltaic characteristics of the organic solar cell device fabricated in Example 5 and Comparative Example, a solar simulator and a radiant power meter were used to generate 100 mW of solar light having an AM 1.5 condition Current density-voltage characteristics of the organic solar cell device were measured using a 1kW solar simulator (Newport 91192), and the results are shown in FIG. 7 (right).

상기 고분자 2를 이용하여 제작된 실시예 5의 대면적 서브-모듈 유기 태양전지소자 및 PCE10를 이용하여 제작된 비교예의 대면적 서브-모듈 유기 태양전지소자의 전기적 특성, 즉, Voc(open circuit voltage), JSC(short-circuit current density), FF(fill factor) 및 에너지 변환 효율(η, overall conversion efficiency)의 광전 파라미터(photovoltaic parameter)들을 표 3에 정리하였다.Large-area sub of Example 5 produced by using the polymer two-module organic solar cell element and the example of comparison made using the PCE10 large-area sub-module electrical characteristics of the organic solar cell device, that is, V oc (open circuit Table 3 summarizes the photovoltaic parameters of voltage, short-circuit current density (J SC ), fill factor (FF), and overall conversion efficiency (η)

광활성층 Photoactive layer 광활성층 두께(d ave )
[nm]
The photoactive layer thickness (d ave )
[nm]
V OC
[V]
V OC
[V]
J SC
[mAcm-2]
J SC
[mAcm -2 ]
FF
[%]
FF
[%]
PCE
[%]
PCE
[%]
실시예 5Example 5 고분자2:PC71BMPolymer 2: PC 71 BM 85±2285 ± 22 8.128.12 1.131.13 6464 5.825.82 225±62225 ± 62 8.198.19 1.311.31 6666 7.097.09 비교예Comparative Example PCE10:PC71BMPCE10: PC 71 BM 89±1989 ± 19 8.348.34 1.271.27 5050 5.295.29 248±47248 ± 47 8.148.14 1.221.22 3737 3.683.68

상기 표 3에서 보이는 바와 같이, 상용화되고 있는 PCE10의 경우 단위셀 유기 태양전지에서는 8% 이상의 매우 우수한 광-전 변환 효율을 나타내지만, 대면적 서브-모듈 유기 태양전지에서는 5%의 광-전 변환 효율을 나타낸다. 또한 대면적 서브-모듈 유기 태양전지에서 PCE10의 광활성층의 두께 250 nm에서는 3.68%의 낮은 광-전 변환 효율을 나타낸다. As shown in Table 3, in the case of the PCE10 being commercialized, the unit cell organic solar cell exhibits excellent light-to-electricity conversion efficiency of 8% or more, but in the large-area sub-module organic solar cell, the light- Efficiency. Also, in the large-area sub-module organic solar cell, the photoelectric conversion efficiency of 3.68% at the thickness 250 nm of the photoactive layer of PCE10 is shown.

하지만 본 발명에서 개발된 고분자 2의 경우 오히려 두꺼운 두께에서 7% 이상의 높은 광-전 변환 효율을 나타낸다. 이는 상업화를 위해 롤-투-롤 공정이 필요한 유기 태양전지 공정에 매우 유리한 재료라는 것을 알 수 있다. 또한 6600 mm2 에서의 7% 이상의 광-전 변환 효율은 세계 최고 광-전 변환 효율이다. However, the polymer 2 developed in the present invention exhibits a high light-to-electricity conversion efficiency of 7% or more at a thick thickness. This is a very favorable material for an organic solar cell process requiring a roll-to-roll process for commercialization. In addition, the light-to-electric conversion efficiency of 7% or more at 6600 mm 2 is the world's highest photo-conversion efficiency.

즉, 본 발명의 유기반도체 화합물인 고분자 2를 광활성층으로 이용하여 7.09%의 광-전 변환 효율을 나타내는 태양전지를 구현한 것은 전 세계 최초이자 최고 효율로 보고하는 것이다. That is, it is the world's first and highest efficiency to realize a photovoltaic cell that exhibits a light-to-electricity conversion efficiency of 7.09% by using the polymer 2, which is an organic semiconductor compound of the present invention, as a photoactive layer.

Claims (11)

하기 화학식 1을 반복단위로 하는 유기반도체 화합물:
[화학식 1]
Figure 112017089776773-pat00027

[상기 화학식 1에서,
A는 하기 구조에서 선택되는 헤테로아릴렌이며;
Figure 112017089776773-pat00028

X1 및 X2는 각각 독립적으로 O 또는 S이고;
R1, R2, R5 및 R6은 각각 독립적으로 수소, C1-C30알킬, C1-C30알콕시, C1-C30알킬티오, C3-C30사이클로알킬, C1-C30알콕시C1-C30알킬, C6-C30아릴, C6-C30아릴C1-C30알킬, C1-C30알콕시C6-C30아릴, C3-C30헤테로아릴, C3-C30헤테로아릴C1-C30알킬, C1-C30알킬C3-C30헤테로아릴 또는 C1-C30알콕시C3-C30헤테로아릴이고;
R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고;
상기 헤테로아릴은 N, O 및 S로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다.]
An organic semiconductor compound having a repeating unit represented by the following formula
[Chemical Formula 1]
Figure 112017089776773-pat00027

[In the above formula (1)
A is heteroarylene selected from the following structures;
Figure 112017089776773-pat00028

X 1 and X 2 are each independently O or S;
R 1, R 2, R 5 and R 6 are each independently hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy, C 1 -C 30 alkylthio, C 3 -C 30 cycloalkyl, C 1 - C 30 alkoxycarbonyl C 1 -C 30 alkyl, C 6 -C 30 aryl, C 6 -C 30 aryl C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 6 -C 30 aryl, C 3 -C 30 heteroaryl, , C 3 -C 30 heteroaryl C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkyl C 3 -C 30 heteroaryl or C 1 -C 30 alkoxy C 3 -C 30 heteroaryl;
R 3 and R 4 are each independently hydrogen or halogen;
Wherein said heteroaryl comprises at least one heteroatom selected from N, O and S.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 유기반도체 화합물은 하기 화학식 2를 반복단위로 하는 유기반도체 화합물:
[화학식 2]
Figure 112017089776773-pat00029

[상기 화학식 2에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, C1-C30알킬, C3-C30사이클로알킬, C1-C30알콕시C1-C30알킬, C6-C30아릴C1-C30알킬 또는 C3-C30헤테로아릴C1-C30알킬이고;
R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 플루오르이다.]
The method according to claim 1,
Wherein the organic semiconductor compound is an organic semiconductor compound having a repeating unit represented by the following formula:
(2)
Figure 112017089776773-pat00029

[In the formula (2)
R 1 and R 2 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 3 -C 30 cycloalkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 1 -C 30 alkyl, C 6 -C 30 aryl C 1 -C 30 Alkyl or C 3 -C 30 heteroaryl C 1 -C 30 alkyl;
R 3 and R 4 are each independently hydrogen or fluorine.
제 4항에 있어서,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1-C30알킬인 것을 특징으로 하는 유기반도체 화합물.
5. The method of claim 4,
Wherein R 1 and R 2 are each independently C 1 -C 30 alkyl.
제 5항에 있어서,
상기 유기반도체 화합물은 하기 구조로부터 선택되는 구조를 반복단위로 하는 것을 특징으로 하는 유기반도체 화합물:
Figure 112017089776773-pat00030

Figure 112017089776773-pat00031

6. The method of claim 5,
Wherein the organic semiconductor compound has a structure selected from the following structures as a repeating unit:
Figure 112017089776773-pat00030

Figure 112017089776773-pat00031

하기 화학식 4의 주석 화합물과 하기 화학식 3의 할라이드 유도체를 공중합 반응시켜 하기 화학식 1을 반복단위로 하는 유기반도체 화합물을 제조하는 방법:
[화학식 1]
Figure 112017089776773-pat00032

[화학식 3]
Figure 112017089776773-pat00018

[화학식 4]
Figure 112017089776773-pat00019

[상기 화학식 1, 3 및 4에서,
A는 C6-C30아릴렌 또는 C3-C30헤테로아릴렌이며, 상기 A의 아릴렌 및 헤테로아릴렌은 C1-C30알킬, C1-C30알콕시, C1-C30알킬티오, C3-C30사이클로알킬, C1-C30알콕시C1-C30알킬, C6-C30아릴, C6-C30아릴C1-C30알킬, C1-C30알콕시C6-C30아릴, C3-C30헤테로아릴, C3-C30헤테로아릴C1-C30알킬, C1-C30알킬C3-C30헤테로아릴 및 C1-C30알콕시C3-C30헤테로아릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;
Y는 할로겐이고;
상기 헤테로아릴 및 헤테로아릴렌은 N, O 및 S로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다.]
A method for producing an organic semiconductor compound having a repeating unit represented by the following formula (1) by copolymerizing a tin compound represented by the following formula (4) with a halide derivative represented by the following formula (3)
[Chemical Formula 1]
Figure 112017089776773-pat00032

(3)
Figure 112017089776773-pat00018

[Chemical Formula 4]
Figure 112017089776773-pat00019

[In the above formulas (1), (3) and (4)
A is C 6 -C 30 arylene or C 3 -C 30 heteroarylene and the arylene and heteroarylene of A are selected from the group consisting of C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy, C 1 -C 30 alkyl alkylthio, C 3 -C 30 cycloalkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 1 -C 30 alkyl, C 6 -C 30 aryl, C 6 -C 30 aryl C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy C 6 -C 30 aryl, C 3 -C 30 heteroaryl, C 3 -C 30 heteroaryl, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkyl, C 3 -C 30 heteroaryl and C 1 -C 30 alkoxy C 3 It may further be substituted by one or more substituents selected from the group consisting of -C 30 heteroaryl, and;
Y is halogen;
Wherein said heteroaryl and heteroarylene comprise at least one heteroatom selected from N, O and S.
제 1항 및 제 4항 내지 제 6항에서 선택되는 어느 한 항에 따른 유기반도체 화합물을 포함하는 유기전자소자. An organic electronic device comprising an organic semiconductor compound according to any one of claims 1 to 6. 제 1항 및 제 4항 내지 제 6항에서 선택되는 어느 한 항에 따른 유기반도체 화합물을 포함하는 유기 태양전지 소자.An organic solar cell device comprising an organic semiconductor compound according to any one of claims 1 and 4 to 6. 제 9항에 있어서,
상기 유기 반도체 화합물은 전자 주게 재료로 사용하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자.
10. The method of claim 9,
Wherein the organic semiconductor compound is used as an electron-donating material.
삭제delete
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