KR102009245B1 - Polymer solar cell having cathode buffer layer including novel small molecular electrolytes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하는 버퍼층(buffer layer)을 음극(cathode) 및 활성층(active layer) 사이에 구비하는 고분자 태양전지에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 고분자 태양전지는, 다수의 수산화기(OH-)가 첨가된 4급 암모늄 브롬화물(quaternary ammonium bromide)로 이루어진 음극 버퍼층이 전자 수집 장벽을 감소시키는 계면 쌍극자를 형성시켜 단락 전류(Jsc)를 향상시킴으로써 크게 개선된 효율을 나타내며, 또한, 상기 신규 버퍼층 소재는 유기태양전지의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 한 단계의 합성에 의해 대량생산이 가능하고 정제과정이 매우 간단해 경제적으로 고성능 유기태양전지를 구현할 수 있게끔 한다:

Figure 112017052079319-pat00009

(단, 상기 화학식에서 n은 3 내지 8임).The present invention relates to a polymer solar cell having a buffer layer (cathode) and an active layer (buffer layer) comprising a compound represented by the following formula, the polymer solar cell according to the present invention, Cathode buffer layer consisting of quaternary ammonium bromide with hydroxyl group (OH-) exhibits greatly improved efficiency by forming an interfacial dipole which reduces the electron collection barrier, thereby improving the short circuit current (J sc ), In addition, the new buffer layer material not only improves the performance of the organic solar cell, but also enables mass production by one step synthesis and the purification process is very simple, thereby enabling to realize a high performance organic solar cell economically:
Figure 112017052079319-pat00009

(Wherein n is 3 to 8).

Description

신규 저분자 전해질을 포함하는 음극 버퍼층을 가지는 고분자 태양전지{Polymer solar cell having cathode buffer layer including novel small molecular electrolytes}Polymer solar cell having cathode buffer layer including novel small molecular electrolytes

본 발명은 광활성층 및 음극(cathode) 사이에 개재(介在)되며, 신규 저분자 전해질을 포함하는 음극 버퍼층을 포함하는 고분자 태양전지에 대한 것이다.The present invention relates to a polymer solar cell including an anode buffer layer interposed between a photoactive layer and a cathode and including a novel low molecular electrolyte.

최근에, 벌크-헤테로접합(BHJ) 고분자 태양 전지(PSC)는 가볍고 유연하며 대면적 제조가 가능한 청정 에너지원으로 응용 가능성이 높기 때문에 주목을 받고 있다.Recently, bulk-heterojunction (BHJ) polymer solar cells (PSCs) have attracted attention because of their high applicability as a clean energy source that is lightweight, flexible, and capable of producing large areas.

새로운 공액형 고분자/올리고머의 합성 및 계면 공학(interface engineering) 등을 통해, PSC의 전력 변환 효율 (power conversion efficiency, PCE)은 10%를 상회하는 할 정도로 빠르게 향상되었다.Through the synthesis of new conjugated polymers / oligomers and interface engineering, the power conversion efficiency (PCE) of PSCs has increased rapidly to over 10%.

양측 전극 계면에서의 전하 수송 및 수집 특성은 PSC의 효율을 향상시키는 중요한 요소이다. 계면 특성을 향상시키기 위한 알콜가용성/수용해성 공액형 고분자 전해질(CPE), 비공액형 고분자, 알콜가용성/수용해성 공액형 또는 비공액형 저분자(SM), 및 극성 용매 처리(polar solvent treatment) 같은 중요한 연구가 수행되었다.Charge transport and collection characteristics at both electrode interfaces are important factors in improving the efficiency of the PSC. Important studies such as alcohol soluble / water soluble conjugated polyelectrolyte (CPE), nonconjugated polymer, alcohol soluble / water soluble conjugated or non-conjugated low molecular weight (SM), and polar solvent treatment to improve interfacial properties Was performed.

이들 재료는 처리 용매에서의 직교 용해(orthogonal solubility)에 의해 미리 코팅된 유기 반도체 층을 파괴하지 않고 다층 소자의 제조를 가능하게 하고, 음극 계면에 중간층(interlayer, IL)으로서 상기 물질들로 이루어진 박막을 구비한 PSC는 이와 같은 중간층이 결여된 소자보다 현저히 향상된 성능을 나타낸다.These materials enable the fabrication of multilayer devices without disrupting the pre-coated organic semiconductor layer by orthogonal solubility in the processing solvent, and a thin film made of these materials as an interlayer (IL) at the cathode interface. PSCs with R-C show significantly improved performance over devices lacking such interlayers.

이러한 중간층 구비 PSC 성능 향상과 관련해, 공액형 고분자는 그 골격상의 측쇄 말단의 이온성 작용기가 바람직한 계면 쌍극자(interface dipole)의 형성을 유도하여, 음극의 일함수를 감소시키는 것으로 알려져 있으며, 비공액형 고분자 또는 SM도 계면 쌍극자의 형성으로 인해 음극의 일함수를 감소시킬 수 있다.In connection with such PSC performance improvement, the conjugated polymer is known to induce the formation of an interface dipole in which an ionic functional group at the side chain end of the skeleton is desirable, thereby reducing the work function of the negative electrode. Alternatively, SM can also reduce the work function of the cathode due to the formation of the interface dipole.

나아가, SM은 고분자 재료와 비교하여 합성 및 정제가 용이하다는 장점을 가지며, 고분자 재료와 달리 용매에 대한 용해도가 달라지는 batch-to-batch 문제 또는 넓은 분자량 분포를 갖지 않는다.Furthermore, SM has the advantage of easy synthesis and purification compared to polymer materials, and unlike polymer materials, SM does not have a batch-to-batch problem or a wide molecular weight distribution in which solubility in solvents is different.

한국공개특허 제10-2006-0090002호 (공개일 2006.08.10)Korean Patent Publication No. 10-2006-0090002 (Published Date 2006.08.10) 한국공개특허 제10-2015-0089689호 (공개일 2015.08.05)Korean Laid-Open Patent No. 10-2015-0089689 (Published Date 2015.08.05) 미국공개특허 US2006/0209382호 (공개일 2006.09.21)United States Patent Application Publication US2006 / 0209382 (published September 21, 2006)

본 발명은 복잡한 합성 과정이 필요치 않고 간단한 제법을 통해 제조 가능한 신규한 저분자 전해질을 포함하는 음극 버퍼층을 가지는 고분자 태양전지의 제공을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a polymer solar cell having a negative electrode buffer layer including a novel low molecular electrolyte that can be prepared by a simple manufacturing process without requiring a complicated synthesis process.

본 발명은 하기 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하는 버퍼층(buffer layer)을 음극(cathode) 및 활성층(active layer) 사이에 구비하는 고분자 태양전지를 제공한다.The present invention provides a polymer solar cell having a buffer layer including a compound represented by the following formula between a cathode and an active layer.

Figure 112017052079319-pat00001
Figure 112017052079319-pat00001

(단, 상기 화학식에서 n은 3 내지 8임).(Wherein n is 3 to 8).

또한, 상기 화학식으로 표시되는 화합물은, N,N,N,N,N,N,N,N-헥사키스(2-하이드록시에틸)헥산-1,4-디아미늄 브로마이드(N,N,N,N,N,N-hexakis(2-hydroxyethyl)butane-1,4-diaminium bromide, C4) 및 N,N,N,N,N-헥사키스(2-하이드록시에틸)헥산-1,6-디아미늄 브로마이드(N,N,N,N,N,N-hexakis(2-hydroxyethyl)hexane-1,6-diaminium bromide, C6)로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.In addition, the compound represented by the above formula is N, N, N, N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,4-diamine bromide (N, N, N , N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) butane-1,4-diaminium bromide, C4) and N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,6- Diamine bromide (N, N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,6-diaminium bromide, C6) It is characterized in that at least one selected from.

또한, 상기 N,N,N,N,N,N,N,N-헥사키스(2-하이드록시에틸)헥산-1,4-디아미늄 브로마이드(N,N,N,N,N,N-hexakis(2-hydroxyethyl)butane-1,4-diaminium bromide) 또는 N,N,N,N,N-헥사키스(2-하이드록시에틸)헥산-1,6-디아미늄 브로마이드(N,N,N,N,N,N-hexakis(2-hydroxyethyl)hexane-1,6-diaminium bromide)은 아세토니트릴 중에서 1,4-디브로모부탄 및 트리에탄올아민의 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 한다.In addition, the N, N, N, N, N, N, N, N- hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1, 4- dimethyl bromide (N, N, N, N, N, N- hexakis (2-hydroxyethyl) butane-1,4-diaminium bromide) or N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,6-dium bromide (N, N, N , N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,6-diaminium bromide) is prepared by mixing 1,4-dibromobutane and triethanolamine in acetonitrile.

또한, 상기 버퍼층은 두께가 2 내지 10 nm 인 것을 특징으로 한다.In addition, the buffer layer is characterized in that the thickness of 2 to 10 nm.

한편, 본 발명에 따른 고분자 태양전지는 음극과 광활성층 사이에 상기 버퍼층을 포함하기만 하면 적층 구조 및 각 층의 소재는 특별히 제한되지 않는다.On the other hand, the polymer solar cell according to the present invention is not particularly limited as long as it includes the buffer layer between the cathode and the photoactive layer and the material of each layer.

일례로, 투명 기판 위에 형성된 음극; 상기 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하는 버퍼층; 전자수용체와 전자공여체를 갖는 광활성층; 및 양극을 포함하는 역구조태양전지(inverted type polymer solar cell, iPSC) 일 수 있다.In one example, a cathode formed on a transparent substrate; A buffer layer comprising a compound represented by the above formula; A photoactive layer having an electron acceptor and an electron donor; And an inverted type polymer solar cell (iPSC) including an anode.

보다 상세히 설명하면, 상기 기판은 광투과율이 높은 투명한 소재로 이루어진 것을 사용할 수 있고, 유리(glass), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타클릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리아미드(polyamide), 폴리에트르술폰(polyehtersulfone) 등을 대표적인 예로 들 수 있다.In more detail, the substrate may be formed of a transparent material having high light transmittance, and may include glass, polycarbonate, polymethylmethacrylate, polyethyleneterephthalate, and poly Amides such as amide (polyamide), polysulfone (polyehtersulfone) and the like.

또한, 상기 광활성층은 광반응이 우수해 엑시톤을 쉽게 만들 수 있는 전자공여체 및 전자친화도가 높은 전자수용체를 포함하는 혼합물이 이중층으로 형성되거나, 헤테로접합 구조로 형성된 것일 수 있다.In addition, the photoactive layer may be formed of a bilayer or a heterojunction structure in which a mixture including an electron donor and an electron acceptor having a high electron affinity, which may easily make excitons due to excellent photoreaction.

상기 전자공여체로는 폴리티오펜(polythiophene), 카르바졸(carbazole), 벤조티아디아졸(benzothiadiazole), 시클로펜타디티오펜(cyclopentadithiophene), 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole) 등의 공액형 고분자를 사용할 수 있다.The electron donor may be a conjugated polymer such as polythiophene, carbazole, benzothiadiazole, cyclopentadithiophene, diketopyrrolopyrrole, or the like. .

또한, 상기 전자수용체로는 전자 친화도가 큰 C60, C70, C76, C78, C82, C90, C94, C96, C720, C860 등의 플러렌 유도체를 사용할 수 있고, PC61BM, PC71BM, C84-PCBM, bis-PCBM 등을 대표적인 예로 들 수 있다.In addition, as the electron acceptor, fullerene derivatives such as C60, C70, C76, C78, C82, C90, C94, C96, C720, and C860 having high electron affinity may be used, and PC 61 BM, PC 71 BM, and C84- PCBM, bis-PCBM, etc. are typical examples.

상기 양극 및 음극은 ITO(Indium Tin Oxide), SnO2, IZO(In2O3-ZnO), AZO(aluminum doped ZnO), GZO(gallium doped ZnO) 등의 금속 산화물, 알루미늄(Al); 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 등의 전이금속, 희토류 금속, 셀렌(Se) 등의 반금속을 사용할 수 있으며, 일함수를 고려하여 형성시키는 것이 바람직하다.The anode and cathode are metal oxides such as indium tin oxide (ITO), SnO 2 , IZO (In 2 O 3 -ZnO), aluminum doped ZnO (AZO), gallium doped ZnO (GZO), aluminum (Al); Transition metals such as silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), semimetals such as rare earth metals, selenium (Se) may be used, and are preferably formed in consideration of the work function.

상기 본 발명에 따른 역구조 고분자 태양전지의 구체적인 예로는, ITO 기판; 상기 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하는 버퍼층; 폴리 [[4,8-비스[(2-에틸헥실)옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일][3-플루오로-2-[(2-에틸헥실)카르보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일[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]], PTB7] 및 [6,6]-페닐-C71-부틸산 메틸 에스테르([6,6]-Phenyl C71 butyric acid methyl ester, PC71BM)를 포함하는 활성층; 산화몰리브덴(MoO3)를 포함하는 금속산화물층; 및 은(Ag) 전극층;이 순차적으로 적층된 고분자 태양전지를 들 수 있으며, 이때, 상기 ITO 기판 및 상기 버퍼층 사이에 산화아연층(ZnO layer)을 추가로 포함할 수 있다.Specific examples of the inverted polymer solar cell according to the present invention, ITO substrate; A buffer layer comprising a compound represented by the above formula; 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] thiophendiyl [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]], PTB7] and [6,6] -phenyl-C71 An active layer comprising -butyl acid methyl ester ([6,6] -Phenyl C71 butyric acid methyl ester, PC 71 BM); A metal oxide layer including molybdenum oxide (MoO 3 ); And a silver (Ag) electrode layer; and a polymer solar cell sequentially stacked, and may further include a zinc oxide layer (ZnO layer) between the ITO substrate and the buffer layer.

본 발명에 따른 고분자 태양전지는, 다수의 수산화기(OH-)가 첨가된 4급 암모늄 브롬화물(quaternary ammonium bromide)로 이루어진 음극 버퍼층이 전자 수집 장벽을 감소시키는 계면 쌍극자를 형성시켜 단락 전류(Jsc)를 향상시킴으로써 크게 개선된 효율을 나타낸다.In the polymer solar cell according to the present invention, a cathode buffer layer made of quaternary ammonium bromide to which a plurality of hydroxyl groups (OH-) is added forms an interfacial dipole which reduces the electron collection barrier and thus a short circuit current (J sc). ) Shows a greatly improved efficiency.

또한, 상기 신규 버퍼층 소재는 유기태양전지의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 한 단계의 합성에 의해 대량생산이 가능하고 정제과정이 매우 간단해 경제적으로 고성능 유기태양전지를 구현할 수 있게끔 한다.In addition, the new buffer layer material not only improves the performance of the organic solar cell, but also enables mass production by a single step synthesis and the purification process is very simple, thereby enabling to implement a high performance organic solar cell economically.

도 1은 본원 실시예에서 음극 버퍼층을 이루는 화합물(C4 및 C6)의 화학 구조식이다.
도 2는 C4 및 C6의 합성에 대한 반응식이다.
도 3은 C4의 1H 및 13C NMR 스펙트럼이다.
도 4는 C6의 1H 및 13C NMR 스펙트럼이다.
도 5는 (a) ITO/ZnO 및 ITO/C4 또는 C6 기반 소자 구조, (b) 본 발명에서 사용한 재료의 에너지 준위도, (c) 100 mW/cm2의 강도를 갖는 AM 1.5 G 모의 조명하에서 iPSC의 전류 밀도-전압 곡선 (삽입도 : 암(dark) 상태; 사각형 : ITO/ZnO 포함 소자, 원형 : ITO/C4 포함 소자, 삼각형 : ITO /C6 포함 소자)이다.
도 6은 (a) ZnO 및 ZnO / C4 또는 C6 기반의 소자 구조, (b) 본 발명에서 사용한 재료의 에너지 준위도, (c) 100mW/cm2의 강도를 갖는 AM 1.5 G 모의 조명하에서 iPSC의 전류-전압 곡선 (삽입도 : 암(dark) 상태; 사각형 : ITO/ZnO/MeOH 포함 소자, 원형 : ITO/ZnO/C4 포함 소자, 삼각형 : ITO/ZnO/C6 포함 소자)이다.
도 7은 ZnO/MeOH, ZnO/C4 및 ZnO/C6을 기반으로 하는 소자의 IPCE 스펙트럼이다.
1 is a chemical structural formula of compounds (C4 and C6) constituting the cathode buffer layer in the present embodiment.
2 is a scheme for the synthesis of C4 and C6.
3 is the 1 H and 13 C NMR spectra of C4.
4 is the 1 H and 13 C NMR spectra of C6.
FIG. 5 shows (a) ITO / ZnO and ITO / C4 or C6 based device structures, (b) energy levels of the materials used in the present invention, and (c) under AM 1.5 G simulated illumination with an intensity of 100 mW / cm 2 . Current density-voltage curve of iPSC (insertion: dark state; rectangle: ITO / ZnO-containing device, circle: ITO / C4-containing device, triangle: ITO / C6-containing device).
6 shows the structure of an iPSC under (a) ZnO and ZnO / C4 or C6 based device structures, (b) energy levels of materials used in the present invention, and (c) AM 1.5 G simulated illumination with an intensity of 100 mW / cm 2 . Current-voltage curve (insertion: dark state; rectangle: device with ITO / ZnO / MeOH, circle: device with ITO / ZnO / C4, triangle: device with ITO / ZnO / C6).
7 is an IPCE spectrum of a device based on ZnO / MeOH, ZnO / C4 and ZnO / C6.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention can be variously modified and can have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to a particular disclosed form, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof that is described, and that one or more other features or numbers are present. It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples.

<실시예><Example>

본 실시예에서는 다수의 수산화기를 포함하는 4급 암모늄 브롬화물(quaternary ammonium bromide)로서 도 1에 도시된 화학 구조식으로 표시되는 C4 및 C6을 합성한 후, 이를 음극 버퍼층 소재로 사용해 고분자 태양전지를 제조하고 그 전지특성에 대해 살펴보았다.In this embodiment, after synthesis of C4 and C6 represented by the chemical structural formula shown in Figure 1 as a quaternary ammonium bromide containing a plurality of hydroxyl groups, using this as a negative electrode buffer layer material to prepare a polymer solar cell The battery characteristics were examined.

참고로, 계면 특성에 대한 소수성(hydrophobicity)의 영향을 살펴보기 위해, C4 및 C6는 서로 다른 길이의 알킬 사슬을 가지도록 설계되었다.For reference, to examine the effect of hydrophobicity on the interfacial properties, C4 and C6 are designed to have alkyl chains of different lengths.

1. 음극 버퍼층용 수산화기(OH-) 포함 4급 암모늄 브롬화물(quaternary ammonium bromide)의 합성1.Synthesis of quaternary ammonium bromide with hydroxyl group (OH-) for cathode buffer layer

(1) N,N,N,N,N-헥사키스(2-히드록시에틸)부탄-1,4-디아미늄 브로마이드(C4)의 합성 (1) Synthesis of N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) butane-1,4-diamine bromide (C4)

도 2에 도시한 바와 같이, 아세토니트릴 중에서 1,4-디브로모부탄 (0.432 g, 2.00 mmol) 및 트리에탄올아민 (0.627 g, 4.20 mmol)의 혼합물을 12 시간 동안 환류시켰다. 실온으로 냉각시킨 후, 백색 침전물을 여과하고 다량의 아세토니트릴 및 디에틸에테르로 세척하였다.As shown in FIG. 2, a mixture of 1,4-dibromobutane (0.432 g, 2.00 mmol) and triethanolamine (0.627 g, 4.20 mmol) in acetonitrile was refluxed for 12 hours. After cooling to room temperature, the white precipitate was filtered off and washed with plenty of acetonitrile and diethyl ether.

백색 고체의 수율은 74.8 % (0.769 g)이었다. 융점 : 110 ℃이다.The yield of white solid was 74.8% (0.769 g). Melting point: 110 ° C.

1H-NMR (400 MHz, CD3OD, ppm): δ 4.04 ~ 3.96 (m, 12H), 3.87 (br, 6H), 3.73 ~ 3.66 (m, 12H), 3.67 ~ 3.60 (m, 4H), 1.94 ~ 1.86 (m, 4H). 13C NMR (100 MHz, CD3OD, ppm): δ 62.86, 61.5, 56.65, 20.45. Anal. Calcd. For C16H38Br2N2O6: C, 37.37; H, 7.45; N, 5.45. Found: C, 37.47; H, 7.35; N, 5.39.(도 3 참조) 1 H-NMR (400 MHz, CD 3 OD, ppm): δ 4.04-3.96 (m, 12H), 3.87 (br, 6H), 3.73-3.66 (m, 12H), 3.67-3.60 (m, 4H), 1.94-1.86 (m, 4H). 13 C NMR (100 MHz, CD 3 OD, ppm): δ 62.86, 61.5, 56.65, 20.45. Anal. Calcd. For C 16 H 38 Br 2 N 2 O 6 : C, 37.37; H, 7. 45; N, 5.45. Found: C, 37.47; H, 7. 35; N, 5.39. (See FIG. 3)

(2) N,N,N,N,N-헥사키스(2-히드록시에틸)헥산-1,6-디아미늄 브로마이드(C6)의 합성(2) Synthesis of N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,6-dium bromide (C6)

도 2에 도시한 바와 같이, 아세토니트릴 중에서 1,4-디브로모부탄(0.488 g, 2.00 mmol) 및 트리에탄올아민 (0.627 g, 4.10 mmol)의 혼합물을 12 시간 동안 환류시켰다. 실온으로 냉각시킨 후, 백색 침전물을 여과하고 다량의 아세토니트릴 및 에테르로 세척하였다.As shown in FIG. 2, a mixture of 1,4-dibromobutane (0.488 g, 2.00 mmol) and triethanolamine (0.627 g, 4.10 mmol) in acetonitrile was refluxed for 12 hours. After cooling to room temperature, the white precipitate was filtered off and washed with plenty of acetonitrile and ether.

백색 고체의 수율은 65.8 % (0.713 g)이었다. 융점 : 119 ℃이다. The yield of white solid was 65.8% (0.713 g). Melting point: 119 ° C.

1H-NMR (400 MHz, CD3OD, ppm) : δ 4.04 ~ 3.96 (m, 12H), 3.87 (br, 6H), 3.71 ~ 3.64 (m, 12H), 3.60 ~ 3.50 (m, 4H), 1.90 ~ 1.81 (m, 4H), 1.49 ~ 1.41 (m, 4H). 13C NMR (100 MHz CD3OD, ppm) : δ 62.71, 62.32, 56.67 25.56, 22.88. Anal. Calcd. For C18H42Br2N2O6: C, 39.86; H, 7.81; N, 5.17. Found: C, 39.79; H, 7.87; N, 5.29.(도 4 참조) 1 H-NMR (400 MHz, CD 3 OD, ppm): δ 4.04-3.96 (m, 12H), 3.87 (br, 6H), 3.71-3.64 (m, 12H), 3.60-3.50 (m, 4H), 1.90-1.81 (m, 4H), 1.49-1.41 (m, 4H). 13 C NMR (100 MHz CD 3 OD, ppm): δ 62.71, 62.32, 56.67 25.56, 22.88. Anal. Calcd. For C 18 H 42 Br 2 N 2 O 6 : C, 39.86; H, 7.81; N, 5.17. Found: C, 39.79; H, 7.87; N, 5.29. (See FIG. 4)

2. 고분자 태양전지(PSC) 제작2. Polymer solar cell (PSC) manufacturing

ZnO층과 활성층 사이에 IL을 포함 또는 미포함하는 2종의 역구조형 고분자 태양전지를 제작하였다.Two inverted polymer solar cells with or without IL were prepared between the ZnO layer and the active layer.

구체적으로, ITO / ZnO(40nm) / IL(~5nm) 포함 또는 미포함 / 활성층(PTB7:PC71BM)(100 nm) / MoO3(10nm) / Ag(100nm)의 순서로 적층된 역구조형 고분자 태양전지를 제작하였다.Specifically, an inverse polymer stacked in the order of ITO / ZnO (40 nm) / IL (~ 5 nm) / active layer (PTB7: PC 71 BM) (100 nm) / MoO 3 (10 nm) / Ag (100 nm) A solar cell was produced.

먼저, ZnO 층은 ITO 상에서 졸-겔 공정을 이용하여 증착되었다. 졸-겔 용액은 아연아세테이트탈수화물(0.164 g) 및 메톡시에탄올(1ml)에 용해된 에탄올아민(0.05 ml)으로 제조하였다. 박막 증착을 수행하기 전에 혼합물을 밤새 60 ℃에서 교반하였다. ZnO 전구체의 박막은 200 ℃에서 10 분동안 경화되어 ZnO 막을 부분적으로 결정화시켰다. ITO 또는 ZnO 위에 5000 rpm에서 60 초 동안 MeOH(1 mg/mL) 중에서 상응하는 용액으로 스핀 코팅함으로써 IL을 제조하였다. 음극 버퍼층의 통상적인 두께는 실온에서 5 nm 미만이었다. 그런 다음, 1,8-디요오도옥탄(1,8-diiodooctane, DIO) 3 % (부피비)가 포함된 클로로벤젠 1 mL에 1800 rpm로 120 초간 PTB7 10 mg과 PC71BM 15 mg을 용해시켜 얻어진 PTB7 및 PC71BM의 블렌드 용액을 스핀-캐스팅(spin-casting)해서 활성층을 형성시켰다. 스핀 코팅 전에, 활성 용액을 0.2 ㎛ 멤브레인 필터로 여과했다. MoO3 층 및 Ag 층을 2 x 10-6 Torr에서 0.13 cm2의 소자 면적을 갖는 새도우 마스크를 통해 연속적으로 열 증착시켰다.First, a ZnO layer was deposited using sol-gel process on ITO. The sol-gel solution was prepared with ethanolamine (0.05 ml) dissolved in zinc acetate dehydrate (0.164 g) and methoxyethanol (1 ml). The mixture was stirred overnight at 60 ° C. before thin film deposition was performed. The thin film of ZnO precursor was cured at 200 ° C. for 10 minutes to partially crystallize the ZnO film. IL was prepared by spin coating the corresponding solution in MeOH (1 mg / mL) on ITO or ZnO at 5000 rpm for 60 seconds. Typical thickness of the cathode buffer layer was less than 5 nm at room temperature. Then, in 1 mL of chlorobenzene containing 3% (volume ratio) of 1,8-diiodooctane (DIO), dissolve 10 mg of PTB7 and 15 mg of PC 71 BM for 120 seconds at 1800 rpm. The resulting blend solution of PTB7 and PC 71 BM was spin-cast to form an active layer. Prior to spin coating, the active solution was filtered through a 0.2 μm membrane filter. MoO 3 and Ag layers were successively thermally deposited through a shadow mask having a device area of 0.13 cm 2 at 2 × 10 −6 Torr.

3. 단일 전자소자(electron-only device) 제작3. Fabrication of electron-only device

ZnO층과 PC71BM층 사이에 IL을 포함 또는 미포함하는 2종의 단일 전자소자(electron-only device)를 제작하였다.Two single electron-only devices with or without IL were fabricated between the ZnO layer and the PC 71 BM layer.

구체적으로, ITO / ZnO(40nm) / IL(~5nm) 포함 또는 미포함 / PC71BM(80 nm) / Al(100nm)의 순서로 적층된 단일 전자소자를 제작하였다.Specifically, a single electronic device laminated in the order of ITO / ZnO (40 nm) / IL (~ 5 nm) or without / PC 71 BM (80 nm) / Al (100 nm) was prepared.

우선, PC71BM층은 IL이 형성 또는 미형성된 ITO/ZnO 기판 상에 클로로포름을 용매로 하는 PC71BM 용액으로부터 스핀-캐스팅(spin-casting)을 통해 형성되었다. 스핀 코팅 전에 PC71BM 용액을 0.20 ㎛ 멤브레인 필터로 여과하였다. Al 층은 0.13 cm2의 소자 면적을 갖는 쉐도우 마스크를 통해 증착되었다. 전류 밀도 대 전계 곡선은 케이틀리 모델 2400 소스-측정 유닛 (KEITHLEY Model 2400 source-measure unit)을 사용하여 기록하였다.First, a PC 71 BM layer was formed through spin-casting from a PC 71 BM solution containing chloroform as a solvent on an ITO / ZnO substrate with or without IL. The PC 71 BM solution was filtered through a 0.20 μm membrane filter before spin coating. The Al layer was deposited through a shadow mask having a device area of 0.13 cm 2 . Current density vs. field curves were recorded using a Keitley Model 2400 source-measure unit.

<실험예>Experimental Example

광전지 특성에 대한 중간층(IL)의 영향을 살펴보기 위해, ITO/ZnO 또는 IL/PTB7:PC71BM/MoO3/Ag 구조를 갖는 iPSC가 제조되었다(도 5(a)). 강도 100 mW/cm2의 AM 1.5 G 모의 조명 하에서와 암(dark) 상태에서의 iPSC의 전류 밀도 대 전압 곡선을 도 5(c)에 나타내었다. 측정된 소자 성능은 아래 표 1에 요약되어 있다. ITO/C4 및 ITO/C6 기반 소자의 Voc 및 FF는 ITO/ZnO 기반 소자보다 작았고, 반면 ITO/C4 및 ITO/C6 기반 소자의 Jsc는 14.65 mA/cm2에서 14.95 및 15.33 mA/cm2로 조금 증가했다. 따라서, ITO/C4 및 ITO/C6 기반 소자의 PCE는 각각 6.03 및 6.65 %로 ITO/ZnO 기반 소자(7.35 %)보다 낮았다. To examine the effect of the interlayer (IL) on photovoltaic properties, iPSCs with ITO / ZnO or IL / PTB7: PC 71 BM / MoO 3 / Ag structures were prepared (FIG. 5 (a)). The current density vs. voltage curves of iPSCs under AM 1.5 G simulated illumination of intensity 100 mW / cm 2 and in the dark are shown in FIG. 5 (c). The measured device performance is summarized in Table 1 below. V oc and FF of ITO / C4 and ITO / C6 based devices were smaller than ITO / ZnO based devices, while J sc of ITO / C4 and ITO / C6 based devices was 14.95 at 14.65 mA / cm 2 . And 15.33 mA / cm 2 . Thus, the PCE of ITO / C4 and ITO / C6 based devices was 6.03 and 6.65%, respectively, lower than that of ITO / ZnO based devices (7.35%).

IL로서 C4 박막 또는 C6 박막이 코팅된 ITO와 ITO/ZnO 표면의 유효 일함수를 조사하고, 기판 표면에서 계면 쌍극자의 형성을 증명하기 위해 켈빈 탐침 현미경(KPM) 측정을 수행했다. IL로서의 C4와 C6의 얇은 층을 갖춘 C4와 C6로 코팅된 ITO의 일함수는 ITO의 일함수인 5.0 eV에서 각각 4.76과 4.86 eV로 감소하였다. 이 값은 ITO/ZnO(4.4 eV)의 값보다 크다. IL로서 C4 박막 또는 C6 박막이 코팅된 ITO의 일함수와 PC71BM의 LUMO 준위 사이의 에너지 장벽 높이는 ITO/ZnO의 에너지 장벽 높이보다 크다(도 5(b) 참조). 따라서, IL로서 C4 박막 또는 C6 박막이 코팅된 ITO를 기반으로 하는 소자의 성능은 ITO/ZnO를 기반으로 하는 소자의 성능보다 낮다. KPM 측정 일함수 데이터는 IL로서 C4 박막 또는 C6 박막을 구비한 소자의 성능이 ITO/ZnO를 기반으로 하는 소자의 성능보다 낮다는 결과를 뒷받침한다. IIL로서 C4 박막 또는 C6 박막이 코팅된 ITO 기반 소자의 직렬 저항 (Rs) 값은 ITO/ZnO 기반 소자의 직렬 저항 (Rs) 값보다 낮다. IL로서 C4 박막 또는 C6 박막이 코팅된 ITO를 사용한 누설 전류(도 5(c)의 삽입도 참조)는 ITO/ZnO 기반 소자의 누설 전류보다 현저히 높다. 이는 IL로서 C4 박막 또는 C6 박막이 코팅된 ITO 기반의 소자의 션트 저항 (Rsh)이 ITO/ZnO 기반 소자의 션트 저항 (Rsh)보다 현저히 낮기 때문이다. 또한, 더 작은 Rsh 값 및 큰 누설 전류는 IL로서의 C4와 C6의 얇은 층이 코팅된 ITO 기반 소자가 ITO/ZnO 기반 소자보다 낮은 PCE를 나타내는 가능한 이유이다. The effective work functions of ITO and ITO / ZnO surfaces coated with C4 or C6 thin films as IL were investigated and Kelvin probe microscopy (KPM) measurements were performed to demonstrate the formation of interfacial dipoles on the substrate surface. The work function of C4 and C6 coated ITO with thin layers of C4 and C6 as IL decreased from 5.0 eV, the work function of ITO, to 4.76 and 4.86 eV, respectively. This value is greater than that of ITO / ZnO (4.4 eV). The energy barrier height between the work function of ITO coated with C4 or C6 thin film as IL and the LUMO level of PC 71 BM is greater than the energy barrier height of ITO / ZnO (see FIG. 5 (b)). Thus, the performance of devices based on ITO coated with C4 thin film or C6 thin film as IL is lower than that of ITO / ZnO based devices. The KPM measurement work function data support the result that the performance of devices with C4 or C6 thin films as IL is lower than that of ITO / ZnO based devices. IIL as C4 or C6 thin films series resistance (R s) values of the ITO-based devices that the coating is lower than the value of the series resistance (R s) of the ITO / ZnO-based devices. Leakage current using ITO coated with C4 thin film or C6 thin film as IL (see also inset in FIG. 5 (c)) is significantly higher than that of ITO / ZnO based devices. This is because significantly lower than that of C4 C6 wafer, or shunt resistor of the thin film of the shunt resistance of the coated ITO-based devices (R sh) The ITO / ZnO-based devices (R sh) as IL. In addition, smaller R sh values and larger leakage currents are possible reasons why ITO based devices coated with thin layers of C4 and C6 as IL exhibit lower PCE than ITO / ZnO based devices.

가장 높은 Highest PCEPCE 값을 갖는  Having a value ZnOZnO , ITO/C4 및 ITO/C6을 기반으로 하는 Based on ITO / C4 and ITO / C6 iPSCs의iPSCs 각종 광전지 물성 측정 결과(각 소자의 광전지 변수 평균(8개 소자 평균)은 괄호 안에 표시함) Measurement results of various photovoltaic properties (average of photovoltaic variables for each device (average of 8 devices) is shown in parentheses) Buffer
Layer
Buffer
Layer
Jsc
(mA/cm2)
J sc
(mA / cm 2 )
Voc
(

Figure 112017052079319-pat00002
)V oc
(
Figure 112017052079319-pat00002
) FF
(
Figure 112017052079319-pat00003
)
FF
(
Figure 112017052079319-pat00003
)
PCE
(
Figure 112017052079319-pat00004
)
PCE
(
Figure 112017052079319-pat00004
)
Rs a
(Ωcm2)
R s a
(Ωcm 2 )
Rsh b
(kΩcm2)
R sh b
(kΩcm 2 )
ZnOZnO 14.48
(14.15)
14.48
(14.15)
0.76
(0.76)
0.76
(0.76)
66.8
(67.5)
66.8
(67.5)
7.35
(7.26)
7.35
(7.26)
10.410.4 0.380.38
ITO/C4ITO / C4 14.95
(14.98)
14.95
(14.98)
0.68
(0.68)
0.68
(0.68)
59.3
(58.6)
59.3
(58.6)
6.03
(5.94)
6.03
(5.94)
4.14.1 0.0350.035
ITO/C6ITO / C6 15.33
(15.10)
15.33
(15.10)
0.71
(0.71)
0.71
(0.71)
61.1
(62.0)
61.1
(62.0)
6.65
(6.61)
6.65
(6.61)
3.53.5 0.0450.045

a) 및 b)는 각각 직렬 및 병렬 저항으로서 가장 뛰어난 PCE를 갖는 소자로부터 측정됨a) and b) are measured from the device with the best PCE as series and parallel resistance, respectively

Voc와 FF를 희생시키지 않으면서 소자의 성능을 향상시키기 위해, IL로서 C4 박막 또는 C6 박막이 코팅된 ITO/ZnO를 기반으로 iPSC가 제작되었다. 100 mW/cm2 의 강도와 어두운 곳에서 AM 1.5 G 모의 조명 하에서의 ITO/ZnO/ 의 다음 층에 IL/PTB7:PC71BM/MoO3/Ag (도 6(a))가 구비하거나 구비하지 않은 iPSC의 전류 밀도 - 전압 관계는 도 6(c)에 나타내었다. 소자 성능은 표 2에 요약되어 있다. 기존 PSC의 경우, 음극 계면에서의 극성 용매 처리가 소자의 성능에 긍정적 인 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 중간층 처리 용매 (메탄올)의 가능한 시너지 효과를 제거하기 위해, 기준 소자의 ZnO 층을 메탄올로 처리하였다. 메탄올 처리 된 소자의 Jsc는 14.48 mA/cm2에서 14.65 mA/cm2로 약간 증가한 반면, Voc 및 Jsc는 거의 동일했다. 이는 메탄올이 본 발명에서 iPSC의 성능에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 메탄올은 ZnO 표면의 결함을 감소시킬 수 있다. To improve device performance without sacrificing V oc and FF, iPSCs were fabricated based on ITO / ZnO coated with C4 or C6 thin films as IL. The next layer of ITO / ZnO / under AM 1.5 G simulated illumination in the dark with an intensity of 100 mW / cm 2 , with or without IL / PTB7: PC 71 BM / MoO 3 / Ag (FIG. 6 (a)) The current density-voltage relationship of the iPSC is shown in FIG. 6 (c). Device performance is summarized in Table 2. For conventional PSCs, polar solvent treatment at the cathode interface has been reported to have a positive effect on device performance. In order to eliminate possible synergistic effects of the intermediate layer treating solvent (methanol), the ZnO layer of the reference device was treated with methanol. The J sc of the methanol treated device increased slightly from 14.48 mA / cm 2 to 14.65 mA / cm 2 , while V oc and J sc were almost identical. This means that methanol does not significantly affect the performance of iPSC in the present invention. However, methanol can reduce defects on the ZnO surface.

IL로서 C4 박막 또는 C6 박막을 갖는 소자의 Jsc 값은 각각 17.22 및 16.78 mA/cm2이며, 이것은 중간층 (14.65 mA/cm2)이 없는 소자에 비해 현저한 개선이다. C4와 C6에 기반한 소자의 FF는 각각 66.6 %에서 71.3 %로, 72.4 %에서 증가했다. C4와 C6을 음극 IL로써 사용하는 소자는 각각 9.20 %과 9.11 %의 가장 높은 PCE 값을 나타내며, 이는 C4와 C6 층이 소자의 음극 계면에서 우수한 인터페이스 쌍극자를 유도함을 나타낸다. IL로서 C4 박막 또는 C6 박막을 구비한 소자의 PCE가 가장 많이 증가한 것은 Jsc가 향상되었기 때문이다. KPM 측정으로부터 계산된 C4 및 C6로 코팅된 ZnO 표면의 유효 일함수는 메탄올 처리된 ZnO (4.4 eV)의 일함수에서 감소한 각각 3.98 및 3.99 eV이다. 이는 ZnO 표면상의 C4 박막 또는 C6 박막에 의해 우수한 계면 쌍극자의 형성에 기인한다. Jsc 결과는 일함수 데이터와 밀접한 관련이 있다. 높은 Jsc를 얻으려면 계면에서 오믹 접촉이 필요하다. 그러나, 큰 쇼트키 장벽(Schottky barrier) 높이는 음극 계면에서 전하 수집을 방해한다. Jsc 개선은, 일함수 변화와의 좋은 상관 관계를 보여주는 PCE 변화와 더불어, 쇼트키에서 오믹 접촉으로의 전형적인 전환을 나타낸다. 흥미롭게도, IL로서 C4 박막 또는 C6 박막을 구비한 소자의 Voc는 기준 소자와 거의 동일하다. 중간층이 ZnO 층의 표면 전위를 변형 시키더라도, 소자의 Voc에는 거의 영향을 미치지 않는다. The J sc values of devices with C4 or C6 thin films as IL are 17.22 and 16.78 mA / cm 2 , respectively, which is a significant improvement over devices without intermediate layers (14.65 mA / cm 2 ). The FF of devices based on C4 and C6 increased from 76.6% to 61.3%, respectively. Devices using C4 and C6 as cathode IL have the highest PCE values of 9.20% and 9.11%, respectively, indicating that the C4 and C6 layers induce good interface dipoles at the cathode interface of the device. The largest increase in PCE of devices with C4 or C6 thin films as IL is due to the improved J sc . The effective work functions of the C4 and C6 coated ZnO surfaces calculated from KPM measurements are 3.98 and 3.99 eV, respectively, which decreased in the work function of methanol treated ZnO (4.4 eV). This is due to the formation of good interfacial dipoles by C4 or C6 thin films on the ZnO surface. J sc results are closely related to work function data. To achieve high J sc requires ohmic contact at the interface. However, the large Schottky barrier height prevents charge collection at the cathode interface. The J sc improvement represents a typical transition from Schottky to ohmic contact, with PCE changes showing a good correlation with work function changes. Interestingly, V oc of the device with C4 thin film or C6 thin film as IL is almost the same as the reference device. Even if the intermediate layer deforms the surface potential of the ZnO layer, it hardly affects the V oc of the device.

IL로서 C4 박막 또는 C6 박막을 갖는 소자의 Rsh 데이터는 ITO/ZnO 기반 소자의 Rsh 데이터보다 낮다. 이것은 역바이어스 하에서 더 큰 누설 전류를 나타내는 IL (도 6(c)의 삽입도)을 갖는 소자와 관련이 있다. IL로서 C4 박막 또는 C6 박막을 구비한 소자는 보다 작은 Rs 값 및 더 큰 FF 값을 갖는 것으로 추정되며, 이것은 음극 계면에서 오믹 접촉의 형성을 나타낸다. IL로서 C4 박막 또는 C6 박막을 구비한 소자는 누설 전류가 더 크고 Rsh가 작을지라도, PVA를 구비한 소자는 IL로서 C4 박막 또는 C6 박막이 없는 소자보다 Jsc와 FF가 더 우수하다. R sh of data elements with a C4 or C6 thin films as IL is lower than R sh data of ITO / ZnO-based devices. This is related to devices with IL (insertion of Fig. 6 (c)) showing a larger leakage current under reverse bias. Devices with C4 or C6 thin films as IL are estimated to have smaller R s values and larger FF values, indicating the formation of ohmic contacts at the cathode interface. Devices with C4 or C6 thin films as IL have higher leakage currents and smaller R sh , but devices with PVA have better J sc and FF than devices without C4 or C6 thin films as IL.

가장 높은 Highest PCEPCE 값을 갖는  Having a value ZnOZnO /Of MeOHMeOH , , ZnOZnO /C4 및 / C4 and ZnOZnO /C6/ C6 을 기반으로 하는 iPSCs의 각종 광전지 물성 측정 결과(각 소자의 광전지 변수 평균(8개 소자 평균)은 괄호 안에 표시함)Measurement results of various photovoltaic properties of iPSCs based on Buffer(완충)
Layer(층)
Buffer
Layer
Jsc
(mA/cm2)
J sc
(mA / cm 2 )
Voc
(

Figure 112017052079319-pat00005
)V oc
(
Figure 112017052079319-pat00005
) FF
(
Figure 112017052079319-pat00006
)
FF
(
Figure 112017052079319-pat00006
)
PCE
(
Figure 112017052079319-pat00007
)
PCE
(
Figure 112017052079319-pat00007
)
Rs a
(Ωcm2)
R s a
(Ωcm 2 )
Rsh b
(kΩcm2)
R sh b
(kΩcm 2 )
ZnO/MeOHZnO / MeOH 14.65
(14.25)
14.65
(14.25)
0.76
(0.75)
0.76
(0.75)
66.6
(66.2)
66.6
(66.2)
7.41
(7.08)
7.41
(7.08)
5.915.91 0.370.37
ZnO/C4ZnO / C4 17.22
(16.97)
17.22
(16.97)
0.75
(0.75)
0.75
(0.75)
71.3
(71.0)
71.3
(71.0)
9.20
(9.10)
9.20
(9.10)
3.83.8 0.300.30
ZnO/C6ZnO / C6 16.78
(15.67)
16.78
(15.67)
0.75
(0.75)
0.75
(0.75)
72.4
(71.7)
72.4
(71.7)
9.11
(9.06)
9.11
(9.06)
3.43.4 0.210.21

a) 및 b)는 각각 직렬 및 병렬 저항으로서 가장 뛰어난 PCE를 갖는 소자로부터 측정됨a) and b) are measured from the device with the best PCE as series and parallel resistance, respectively

한편, 소자의 입사 광전류 효율(IPCE) 곡선은 1.0 태양 조명 하에서 소자의 Jsc 데이터의 변화와 매우 잘 일치한다(도 7 참조). 이어서, 소자는 패시베이션 없이 질소 충진된 글로브 박스 내에 보관되었다. IL이 없는 소자는 125 일 후에 초기 PCE의 79 %를 유지했다. 이와 대조적으로, C4 및 C6을 갖는 소자의 PCE는 125 일 후에 각각 초기 PCE 값의 86 % 및 90 %를 유지하면서 보다 양호한 안정성을 나타냈다.On the other hand, the incident photocurrent efficiency (IPCE) curve of the device is very consistent with the change in the J sc data of the device under 1.0 solar illumination (see FIG. 7). The device was then stored in a nitrogen filled glove box without passivation. Devices without IL maintained 79% of the initial PCE after 125 days. In contrast, PCE of devices with C4 and C6 showed better stability after 125 days, maintaining 86% and 90% of initial PCE values, respectively.

Claims (6)

하기 화학식으로 표시되는 N,N,N,N,N,N-헥사키스(2-하이드록시에틸)헥산-1,6-디아미늄 브로마이드 (N,N,N,N,N,N-hexakis(2-hydroxyethyl)hexane-1,6-diaminium bromide)를 포함하는 버퍼층(buffer layer)을 음극(cathode) 및 활성층(active layer) 사이에 구비하는 고분자 태양전지:
Figure 112019016765560-pat00017
.
N, N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,6-dium bromide represented by the following formula (N, N, N, N, N, N-hexakis ( A polymer solar cell having a buffer layer comprising 2-hydroxyethyl) hexane-1,6-diaminium bromide between a cathode and an active layer:
Figure 112019016765560-pat00017
.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 N,N,N,N,N,N-헥사키스(2-하이드록시에틸)헥산-1,6-디아미늄 브로마이드(N,N,N,N,N,N-hexakis(2-hydroxyethyl)hexane-1,6-diaminium bromide)은,
아세토니트릴 중에서 1,4-디브로모부탄 및 트리에탄올아민의 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지.
The method of claim 1,
N, N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,6-diabromide (N, N, N, N, N, N-hexakis (2-hydroxyethyl) hexane-1,6-diaminium bromide),
A polymer solar cell, which is prepared by mixing 1,4-dibromobutane and triethanolamine in acetonitrile.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층은 두께가 2 내지 10 nm 인 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지.
The method of claim 1,
The buffer layer is a polymer solar cell, characterized in that the thickness of 2 to 10 nm.
제1항에 있어서,
ITO 기판;
상기 화학식으로 표시되는 화합물을 포함하는 버퍼층;
폴리 [[4,8-비스[(2-에틸헥실)옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일][3-플루오로-2-[(2-에틸헥실)카르보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일[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]], PTB7] 및 [6,6]-페닐-C71-부틸산 메틸 에스테르([6,6]-Phenyl C71 butyric acid methyl ester, PC71BM))를 포함하는 활성층;
산화몰리브덴(MoO3)를 포함하는 금속산화물층; 및
은(Ag) 전극층;이 순차적으로 적층된 인버티드(inverted) 구조인 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지.
The method of claim 1,
ITO substrate;
A buffer layer comprising a compound represented by the above formula;
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] thiophendiyl [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]], PTB7] and [6,6] -phenyl-C71 An active layer comprising -butyl acid methyl ester ([6,6] -Phenyl C71 butyric acid methyl ester, PC 71 BM);
A metal oxide layer including molybdenum oxide (MoO 3 ); And
A silver (Ag) electrode layer; the polymer solar cell, characterized in that the inverted (inverted) structure sequentially stacked.
제5항에 있어서,
상기 ITO 기판 및 버퍼층 사이에 형성된 산화 아연층(ZnO layer)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지.




The method of claim 5,
The polymer solar cell further comprises a zinc oxide layer (ZnO layer) formed between the ITO substrate and the buffer layer.




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KR101240276B1 (en) * 2011-01-25 2013-03-07 한국과학기술연구원 A preparation method for reduced graphene oxide using the sulfonyl hydrazide-based reducing agent and optoelectronic devices thereof
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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