KR102018291B1 - All in one single molecule and single molecular organic solar cells comprising the same - Google Patents

All in one single molecule and single molecular organic solar cells comprising the same Download PDF

Info

Publication number
KR102018291B1
KR102018291B1 KR1020170067839A KR20170067839A KR102018291B1 KR 102018291 B1 KR102018291 B1 KR 102018291B1 KR 1020170067839 A KR1020170067839 A KR 1020170067839A KR 20170067839 A KR20170067839 A KR 20170067839A KR 102018291 B1 KR102018291 B1 KR 102018291B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
organic
solar cell
organic solar
bdtrh
single molecule
Prior art date
Application number
KR1020170067839A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20180131172A (en
Inventor
김진영
이택호
우한영
응웬탄루안
Original Assignee
울산과학기술원
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 울산과학기술원, 고려대학교 산학협력단 filed Critical 울산과학기술원
Priority to KR1020170067839A priority Critical patent/KR102018291B1/en
Publication of KR20180131172A publication Critical patent/KR20180131172A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102018291B1 publication Critical patent/KR102018291B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H01L51/0036
    • H01L51/0052
    • H01L51/424
    • H01L51/441
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/20Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80Constructional details
    • H10K30/81Electrodes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/615Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기 태양전지에 관한 것이다. 구체적으로는, 전자 주개(electron-donor)와 전자 받개(electron-acceptor)를 하나의 구조에 갖는 올인원(all-in-one) 단분자 및 이를 포함하는 유기태양전지를 제공하고자 한다. The present invention relates to an all-in-one single molecule and a single molecule organic solar cell including the same. Specifically, an all-in-one single molecule having an electron donor and an electron acceptor in one structure, and an organic solar cell including the same are provided.

Description

올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기 태양전지{ALL IN ONE SINGLE MOLECULE AND SINGLE MOLECULAR ORGANIC SOLAR CELLS COMPRISING THE SAME}All-in-one monomolecule and monomolecular organic solar cell comprising same {ALL IN ONE SINGLE MOLECULE AND SINGLE MOLECULAR ORGANIC SOLAR CELLS COMPRISING THE SAME}

본 발명은 올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기 태양전지에 관한 것이다. 구체적으로는 전자 주개(electron-donor)와 전자 받개(electron-acceptor)를 하나의 구조에 갖는 올인원(all-in-one) 단분자 및 이를 포함하는 유기태양전지를 제공하고자 한다. The present invention relates to an all-in-one single molecule and a single molecule organic solar cell including the same. Specifically, an all-in-one single molecule having an electron donor and an electron acceptor in one structure, and an organic solar cell including the same are provided.

유기 태양 전지(ORGANIC SOLAR CELLS, OSCs)는 용액 가공성, 경량성 및 유연성 때문에 대면적 및 박막 태양 패널을 제조할 수 있는 유력한 후보 중 하나이다. 광전지 재료 합성의 점진적인 발전과, 새로운 디바이스 구성, 모폴로지 최적화, 인터페이스 가공 등과 같은 디바이스 제조 방법을 통해 우수한 전력변환효율(power conversion efficiencies, PCEs)이 보고되고 있다. 삼원(ternary)(또는 다중) 블렌드 시스템 및 적층형(또는 다중접합) 디바이스 구조체는, 주로 우수한 성능을 갖는 유기 태양 전지를 제조하기 위하여 사용되며, 이것은 소자 구조가 점점 복잡해지고 하나의 디바이스에서 광활성층을 구성하는 광활성 재료의 수가 증가하게 되는 것을 의미한다. 또한, 플러렌 유도체 받개를 대체하기 위하여 신규한 비-플러렌계 전자받개(acceptor) 구조들이 도입되고 있다(S. Li, L. Ye, W. Zhao, S. Zhang, S. Mukherjee, H. Ade, J. Hou, Adv Mater 2016, 28, 9423; Y. Lin, J. Wang, Z. G. Zhang, H. Bai, Y. Li, D. Zhu, X. Zhan, Adv Mater 2015, 27, 1170. 참조).달리 말하면, OSCs의 전력변환효율(PCEs)이 증가함에 따라, 광활성층 막의 제조는 좀더 복합해지고, 배치-투-배치 변동 및 모폴로지 최적화와 같은 고려되는 변수들이 증가하고 있다. Organic solar cells (ORGANIC SOLAR CELLS, OSCs) are one of the promising candidates for manufacturing large area and thin film solar panels because of solution processability, light weight and flexibility. Excellent power conversion efficiencies (PCEs) have been reported through gradual advances in photovoltaic material synthesis and device fabrication methods such as new device configurations, morphology optimization, and interface processing. Ternary (or multiple) blend systems and stacked (or multijunction) device structures are used mainly to produce organic solar cells with good performance, which is becoming increasingly complex in device structure and providing photoactive layers in one device. This means that the number of constituent photoactive materials is increased. In addition, novel non-fullerene-based acceptor structures have been introduced to replace fullerene derivative acceptors (S. Li, L. Ye, W. Zhao, S. Zhang, S. Mukherjee, H. Ade, J. Hou, Adv Mater 2016, 28, 9423; Y. Lin, J. Wang, ZG Zhang, H. Bai, Y. Li, D. Zhu, X. Zhan, Adv Mater 2015, 27, 1170.). In other words, as the power conversion efficiencies (PCEs) of OSCs increase, the fabrication of photoactive layer films becomes more complex and the variables considered such as batch-to-batch variation and morphology optimization are increasing.

한국공개특허 제2015-0048636호에서는 단분자 및 이를 포함하는 유기 태양 전지를 개시하고 있다. 상기 특허에서는 전자주개물질을 상기 단분자로 구성하고, 전자받개물질을 PCBM 등에서 선택하여 이들을 혼합하여 광활성층을 형성하고 있다. 하지만, 상기 특허에서는 전자주개물질과 전자받개물질을 혼합하는 구성만을 개시하고 있다.Korean Patent Publication No. 2015-0048636 discloses a single molecule and an organic solar cell including the same. In the above patent, the electron donor material is composed of the single molecule, and the electron acceptor material is selected from PCBM and the like and mixed to form a photoactive layer. However, the patent discloses only the configuration of mixing the electron donor material and the electron acceptor material.

몇몇 논문들은 “유기 이분자 화합물(organic dyad compound)" 광전지 디바이스를 개시하고 있다(S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima, Phys Chem Chem Phys 2012, 14, 16138; S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima, Chem Commun (Camb) 2011, 47, 6365; T. Nishizawa, H. K. Lim, K. Tajima, K. Hashimoto, Chem Commun (Camb) 2009, 2469; T. Nishizawa, K. Tajima, K. Hashimoto, J. Mater. Chem. 2007, 17, 2440; K. Narayanaswamy, A. Venkateswararao, P. Nagarjuna, S. Bishnoi, V. Gupta, S. Chand, S. P. Singh, Angew Chem Int Ed Engl 2016, 55, 12334). 그러나 상기 논문들은 디바이스의 합리적인 PCEs 및 외부 양자 효율(EQEs)을 달성하지 못했고, 또한, 2합 블렌드 디바이스와 대비한 이점들에 대한 조사를 충분히 실시하지 않았다.Some papers disclose “organic dyad compound” photovoltaic devices (S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima, Phys Chem Chem Phys 2012, 14, 16138; S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima, Chem Commun (Camb) 2011, 47, 6365; T. Nishizawa, HK Lim, K. Tajima, K. Hashimoto, Chem Commun (Camb) 2009, 2469; T. Nishizawa, K. Tajima, K. Hashimoto , J. Mater. Chem. 2007, 17, 2440; K. Narayanaswamy, A. Venkateswararao, P. Nagarjuna, S. Bishnoi, V. Gupta, S. Chand, SP Singh, Angew Chem Int Ed Engl 2016, 55, 12334 However, these papers did not achieve reasonable PCEs and external quantum efficiencies (EQEs) of the device, and also did not fully investigate the advantages compared to a two-hop blend device.

본 발명자들은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 전자 주개(electron-donor)와 전자 받개(electron-acceptor)를 하나의 구조에 갖는 올인원(all-in-one) 단분자 및 이를 포함하는 유기태양전지를 제공하고자 한다. MEANS TO SOLVE THE PROBLEM In order to solve the above-mentioned problem of the prior art, the present inventors all-in-one single molecule which has an electron donor and an electron acceptor in one structure, and the organic solar system including the same To provide a battery.

상기한 과제는, [A-D-A] 구조를 갖는 유기 단분자로서, 상기 A는 PCBM 유래 화합물이고, 상기 D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 화합물이고, 상기 유기 단분자는 하기 구조식 1의 화합물인, 유기단분자에 의해 달성된다:The above object is an organic single molecule having a [ADA] structure, wherein A is a PCBM-derived compound, and D is benzo [1,2- b : 4,5- b ' ] dithiophene (benzo [1,2]. b : 4,5- b ' ] dithiophene (BDT) as a central unit, wherein said organic monomolecule is achieved by an organic monomolecule, which is a compound of formula

[구조식 1][Formula 1]

Figure 112017052153525-pat00001
Figure 112017052153525-pat00001

바람직하게는, 상기 A는 전자 받개이고, 상기 D는 전자 주개일 수 있다.Preferably, A is an electron acceptor, and D may be an electron donor.

또한 바람직하게는, 상기 D:A의 몰비는 1:2일 수 있다.Also preferably, the molar ratio of D: A may be 1: 2.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기판 위에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되고 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기태양전지로서, 상기 광활성층은 [A-D-A] 구조를 갖는 유기 단분자를 포함하는 유기태양전지를 제공한다: 상기 A는 PCBM 유래 화합물이고, 상기 D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 화합물이고, 상기 유기 단분자는 하기 구조식 1의 화합물이다.According to one embodiment of the invention, the first electrode formed on the substrate, the second electrode formed to face the first electrode, at least one organic layer formed between the first electrode and the second electrode and including a photoactive layer An organic solar cell comprising the above, wherein the photoactive layer provides an organic solar cell including an organic single molecule having a [ADA] structure: A is a compound derived from PCBM, and D is benzo [1,2- b : 4,5- b ' ] dithiophene (benzo [1,2- b : 4,5- b' ] dithiophene, BDT) is a compound containing as a central unit, the organic single molecule is a compound of formula (1).

[구조식 1][Formula 1]

Figure 112017052153525-pat00002
.
Figure 112017052153525-pat00002
.

바람직하게는, 상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층, 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함할 수 있다.Preferably, the organic material layer may include a hole transport layer, a hole injection layer, or a layer for simultaneously performing hole transport and hole injection.

또한 바람직하게는, 상기 유기물층은 전자 주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함할 수 있다.Also preferably, the organic material layer may include an electron injection layer, an electron transport layer, or a layer for simultaneously performing electron injection and electron transport.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기태양전지는 제1 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 제2 전극으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 정공수송층의 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene doped with poly(styrenesulfonic acid), 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈산화물(NiO), 및 텅스텐 산화물(WOx)로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다. 또한, 상기 전자수송층의 물질은 아연 산화물(ZnO), 티타늄산화물(TiOx), LiF, 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3)로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the organic solar cell may include a first electrode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a second electrode. In this case, the material of the hole transport layer is PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenediocythiophene doped with poly (styrenesulfonic acid), molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), nickel oxide (NiO), And tungsten oxide (WO x ), and the material of the electron transport layer may include zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO x ), LiF, and cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ). It may be one selected from the group consisting of.

바람직하게는, 상기 제1 전극은 크롬, 구리, 아연, 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 및 인듐아연 산화물(IZO)로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함할 수 있다.Preferably, the first electrode may include one selected from the group consisting of chromium, copper, zinc, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide (IZO).

또한 바람직하게는, 상기 제2 전극은 알루미늄, 은, 마그네슘, 구리, 주석, 리튬, 티타늄, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨 및 납으로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.Also preferably, the second electrode may be one selected from the group consisting of aluminum, silver, magnesium, copper, tin, lithium, titanium, potassium, magnesium, calcium, sodium, and lead.

본 발명에 따른 단분자 유기 태양전지는 복잡한 처리 없이 단순하고 저비용으로 제조될 수 있고, 최대 2.44%의 전력변환효율(PCE) 및 최대 46%의 외부양자효율(EQE)를 갖는다.The monomolecular organic solar cell according to the present invention can be manufactured simply and at low cost without complicated processing, and has a power conversion efficiency (PCE) of up to 2.44% and an external quantum efficiency (EQE) of up to 46%.

도 1은 본 발명에 따른 올인원 단분자를 이루는 물질 및 그 구조식(a)과, 각 물질들의 에너지 준위(b)를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 단분자(All-in-one) 유기태양전지와 BDTRH-OH:PCBM(blend) 유기태양전지의 (a) J-V 특성, (b) EQE 스펙트럼, (c) Jsc의 광 강도 의존성, (d) Voc의 광 강도 의존성을 도시한 것이다.
도 3은 BDTRh-OH:PCBM(블렌드) 디바이스와 BDTRh-PCBM(올인원) 디바이스의 (a) 어둠에서의 J-V 특성 및 (b) 광전류 측정을 나타낸 것이다.
도 4는 (a) BDTRh-OH FET의 수송(Transfer) 특성, (b) BDTRh-OH:PCBM(블렌드) FET 및 BDTRh-PCBM(올인원) FET의 이극성(Ambipolar) 수송 특성을 나타낸 것이다. (c) 블렌드 FET의 이극성 출력 특성 및 (d) 올인원 FET의 이극성 출력특성을 나타냈다. (c) 및 (d)에서 빨강, 주황, 노랑, 녹색, 검청록색, 청색 및 보라색의 단계에 따라 Vgs가 증가했다.
도 5는 BDTRh-OH:PCBM(블렌드) 막과 BDTRh-PCBM(올인원) 막에 기초한 (a) 정공 전용(only) 디바이스 및 (b) 전자 전용(only) 디바이스의 J-V 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 (a) 본 발명에 따른 단분자(All-in-one) 막과 BDTRh-OH:PCBM(blend) 막의 Tauc 플롯, (b) 본 발명에 따른 단분자(All-in-one) 디바이스와 BDTRh-OH:PCBM(blend) 디바이스 사이의 CT 영역에서 EQE 스펙트럼을 도시한 것이다. 실선 커브(solid curve)는 수학식 1에 따른 것이다.
도 7은 BDTRh-OH, BDTRh-OH:PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM의 (a) 흡수 스펙트럼 및 (b) 광발광(photoluminescence)을 나타낸 것이다.
도 8은 (a) 2.17 eV 여기(excitation)에서 neat BDTRh-OH 막의 순간 흡수 스펙트럼(Transient absorption spectra, TAS)와, (b) 1.24 eV, 1.12 eV 및 1.03 eV EX 및 SE에서 neat BDTRh-OH 막의 동역학을 나타낸 것이다.
도 9는 서로 다른 시간 지연에서 (a) BDTRh-OH : PCBM과 (b) BDTRh-PCBM의 순간 흡수 스펙트럼(transient absorption spectra, TAS)을 나타내고, (c) BDTRh-OH : PCBM과, (d) BDTRh-PCBM의 엑시톤 및 폴라론 동역학을 나타낸다.
도 10은 BDTRh-OH:PCBM 블렌드(a, c) 및 BDTRh-PCBM(b, d)에 대한 1.4 eV(폴라론 피크) 및 1.03 eV(엑시톤 피크)에서 검출되고 2.17 eV에서 여기 에너지를 갖는 강도 의존성 TAS 프로파일을 나타낸 것이다.
도 11은 블렌드 막 및 올인원 막의 표면 형태는 탭핑 원자힘 현미경(AFM) 사진으로 a, b는 AFM 형상 이미지이고, c, d는 상 이미지이다. a, c는 BDTRh-OH : PCBM(Blend) 막이고, b, d는 BDTRh-OH : PCBM(Blend) 막이다.
도 12는 (a) BDTRh-OH(코어) 막, (b) BDTRh-OH : PCBM(Blend) 막 및 (c) BDTRh-PCBM(All-in-one) 막의 2D GIWAXS 이미지이고, (d)는 평면 내(in plane)와 (e) 평면 외(out-of-plane)이다.
1 illustrates a material forming the all-in-one monomolecule according to the present invention, structural formula (a), and energy levels (b) of the respective materials.
FIG. 2 shows (a) JV characteristics, (b) EQE spectrum, and (c) J sc of an all-in-one organic solar cell and a BDTRH-OH: PCBM (blend) organic solar cell according to the present invention. Light intensity dependence, (d) the light intensity dependence of V oc .
3 shows (a) JV characteristics and (b) photocurrent measurements in the dark of a BDTRh-OH: PCBM (blend) device and a BDTRh-PCBM (all-in-one) device.
Figure 4 shows the transport characteristics of (a) BDTRh-OH FET, (b) Ambipolar transport characteristics of BDTRh-OH: PCBM (blend) FET and BDTRh-PCBM (all-in-one) FET. (c) the bipolar output characteristics of the blend FET and (d) the bipolar output characteristics of the all-in-one FET. In (c) and (d), V gs increased with the steps of red, orange, yellow, green, cyan, blue and purple.
FIG. 5 shows JV characteristics of (a) hole only devices and (b) electron only devices based on BDTRh-OH: PCBM (blend) film and BDTRh-PCBM (all-in-one) film.
6 is a Tauc plot of (a) an all-in-one membrane and a BDTRh-OH: PCBM (blend) membrane according to the present invention, and (b) an all-in-one device according to the present invention. And EQE spectra in the CT region between the BDTRh-OH: PCBM (blend) device. The solid curve is according to equation (1).
FIG. 7 shows (a) absorption spectrum and (b) photoluminescence of BDTRh-OH, BDTRh-OH: PCBM blend and BDTRh-PCBM.
8 shows (a) transient absorption spectra (TAS) of neat BDTRh-OH membranes at 2.17 eV excitation and (b) of neat BDTRh-OH membranes at 1.24 eV, 1.12 eV and 1.03 eV EX and SE. The kinetics are shown.
Figure 9 shows (a) BDTRh-OH: PCBM and (b) transient absorption spectra (TAS) of BDTRh-PCBM at different time delays, (c) BDTRh-OH: PCBM, and (d) Exciton and Polaron kinetics of BDTRh-PCBM.
FIG. 10 is the intensity detected at 1.4 eV (polaron peak) and 1.03 eV (exciton peak) for BDTRh-OH: PCBM blends (a, c) and BDTRh-PCBM (b, d) and with excitation energy at 2.17 eV. It shows the dependency TAS profile.
FIG. 11 shows the surface morphology of the blend film and the all-in-one film with tapping atomic force microscopy (AFM) images, where a and b are AFM shape images and c and d are phase images. a and c are BDTRh-OH: PCBM (Blend) films, and b and d are BDTRh-OH: PCBM (Blend) films.
12 is a 2D GIWAXS image of (a) BDTRh-OH (core) film, (b) BDTRh-OH: PCBM (Blend) film and (c) BDTRh-PCBM (All-in-one) film, (d) In plane and (e) out-of-plane.

본 발명은 올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to an all-in-one single molecule and a single molecule organic solar cell including the same.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명의 올인원 단분자는 [A-D-A] 구조를 갖고 하기 구조식 1의 화합물이다. According to a preferred embodiment of the present invention, the all-in-one monomolecule of the present invention has a [A-D-A] structure and is a compound of the following structural formula (1).

[구조식 1][Formula 1]

Figure 112017052153525-pat00003
Figure 112017052153525-pat00003

상기에서 A는 플러렌 유도체인 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid-methylester)이고, D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 BDTRH로서, 하기 구조식 2를 갖는다.In the above, A is a fullerene derivative PCBM ([6,6] -phenyl-C61-butyric acid-methylester), and D is benzo [1,2- b : 4,5- b ' ] dithiophene (benzo [1, 2- b : 4,5- b ' ] dithiophene (BDT) as a BDTRH containing as a central unit, has the following structural formula (2).

[구조식 2][Formula 2]

Figure 112017052153525-pat00004
Figure 112017052153525-pat00004

도 1은 본 발명에 따른 올인원 단분자를 이루는 물질 및 단분자의 구조식(a)과, 각 물질들의 에너지 준위(b)를 도시한 것이다. Figure 1 shows the structural formula (a) and the energy level of each material (b) and the material forming the all-in-one monomolecule according to the present invention.

도 1의 (a) 및 상기 구조식 1을 보면, 본 발명에 따른 올인원 단분자(이하 ‘BDTRh-PCBM’이라 한다)는 BDTRh-OH 유래 전자 주개 코어와 PCBM 유래 2개의 전자 받개 윙들로 이루어진다. 이 BDTRh-PCBM을 BDTRh-OH와 비교하면, 더 깊은 최고 점유 분자 오비탈(HOMO) 에너지 레벨을 갖고(-5.15 eV → -5.32 eV), 가장 낮은 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지 레벨은 양자가 모두 -3.55 eV로 동일하다(도 1(b)). 이로 인해 BDTRh-PCBM의 밴드갭 에너지가 BDTRh-OH의 밴드갭 에너지 보다 다소 크다. 이러한 밴드갭 에너지 차이를 아래 표 1에 나타냈다.Referring to Figure 1 (a) and the structural formula 1, the all-in-one single molecule (hereinafter referred to as 'BDTRh-PCBM') according to the present invention is composed of a BDTRh-OH-derived electron donor core and PCBM-derived two electron acceptor wings. Comparing this BDTRh-PCBM with BDTRh-OH, it has a deeper highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level (-5.15 eV → -5.32 eV), and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy level is both Same at -3.55 eV (FIG. 1 (b)). As a result, the bandgap energy of BDTRh-PCBM is somewhat larger than that of BDTRh-OH. These bandgap energy differences are shown in Table 1 below.


물질

matter

HOMO
[eV]

HOMO
[eV]

LUMO
[eV]

LUMO
[eV]

Eg
[eV]

E g
[eV]

BDTRh-OH

BDTRh-OH

-5.15

-5.15

-3.55

-3.55

1.6

1.6

BDTRh-PCBM

BDTRh-PCBM

-5.32

-5.32

-3.55

-3.55

1.77

1.77

본 발명의 올인원 단분자는 아래 반응식 1과 같이 BDTRh-OH와 PCBM을 합성하여 제조할 수 있다.The all-in-one single molecule of the present invention can be prepared by synthesizing BDTRh-OH and PCBM as shown in Scheme 1 below.

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112017052153525-pat00005
Figure 112017052153525-pat00005

구체적으로는 화합물 (1) 및 화합물 (2)를 반응시켜 BDTRh-OH를 합성하고, 이를 화합물(3)([6,6]-phenyl-C61-butyric acid chloride)과 반응시켜 BDTRh-PCBM을 합성할 수 있다. Specifically, BDTRh-OH is synthesized by reacting Compound (1) and Compound (2), and then reacted with Compound (3) ([6,6] -phenyl-C61-butyric acid chloride) to synthesize BDTRh-PCBM. can do.

화합물 (1)과 (2)는 이전에 보고되었던 참고문헌들에 기재된 방법으로 합성하였다(Ailing Tang, Chuanlang Zhan, and Jiannian Yao, Chem . Mater. 2015, 27, 4719-4730; Christoph Nitsche, Verena N. Schreier, Mira A. M. Behnam, Anil Kumar, Ralf Bartenschlager, and Christian D. Klein, J. Med. Chem., 2013, 56 (21), pp 8389840 ; Jiaoyan Zhou, Xiangjian Wan, Yongsheng Liu, Yi Zuo, Zhi Li, Guangrui He, Guankui Long, Wang Ni, Chenxi Li, Xuncheng Su, and Yongsheng Chen. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (39), pp 1634516351)Compounds (1) and (2) were synthesized by the methods described in the references previously reported (Ailing Tang, Chuanlang Zhan, and Jiannian Yao, Chem . Mater . 2015, 27 , 4719-4730; Christoph Nitsche, Verena N Schreier, Mira AM Behnam, Anil Kumar, Ralf Bartenschlager, and Christian D. Klein, J. Med. Chem., 2013, 56 (21), pp 8389840; Jiaoyan Zhou, Xiangjian Wan, Yongsheng Liu, Yi Zuo, Zhi Li , Guangrui He, Guankui Long, Wang Ni, Chenxi Li, Xuncheng Su, and Yongsheng Chen.J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (39), pp 1634516351)

PCBM의 유도체인 화합물 (3)은 상업적으로 구입한 PCBM을 반응시켜 합성하였다. 화합물 3의 합성은 참고문헌(Weixiang Jiao, Di Ma, Menglan Lv, Weiwei Chen, Haiqiao Wang, Jin Zhu, Ming Lei and Xiwen Chen, J. Mater. Chem. A 2014, 2 (35), 14720-14728;)에 따라 진행하였다. Compound (3), a derivative of PCBM, was synthesized by reacting a commercially available PCBM. Synthesis of compound 3 can be found in, for example, Weixiang Jiao, Di Ma, Menglan Lv, Weiwei Chen, Haiqiao Wang, Jin Zhu, Ming Lei and Xiwen Chen, J. Mater. Chem. A 2014, 2 (35), 14720-14728; Proceed according to).

바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명은 상기 올인원 단분자를 포함하는 유기태양전지를 제공한다. 상기 유기태양전지는 기판 위에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되고 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 상기 올인원 단분자를 포함한다. 상기 올인원 단분자는 하나의 분자 구조 내에 전자 주개와 전자 받개를 모두 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. According to a preferred embodiment, the present invention provides an organic solar cell comprising the all-in-one single molecule. The organic solar cell includes a first electrode formed on a substrate, a second electrode formed to face the first electrode, one or more organic material layers formed between the first electrode and the second electrode and including a photoactive layer. The photoactive layer includes the all-in-one single molecule. The all-in-one monomolecule is characterized by including both an electron donor and an electron acceptor in one molecular structure.

상기 기판은 투명성, 표면 평활성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으며, 유기태양전지에 통상적으로 사용되는 기판이라면, 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로는 유리 또는 PET(polyethylene terephtalate), PEN(polyethylene naphthalate), 폴리프로필렌, 폴리이미드, TAC(triacetyl cellulose) 등이 있다. The substrate may be a glass substrate or a transparent plastic substrate having excellent transparency, surface smoothness and waterproofness, and is not particularly limited as long as it is a substrate commonly used in organic solar cells. Specifically, there are glass or polyethylene terephtalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polypropylene, polyimide, triacetyl cellulose (TAC), and the like.

상기 제1 전극은 애노드 전극으로서 투명하고 전도성이 우수한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 크롬, 구리, 아연 등과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO) 같은 금속산화물을 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 제1 전극의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으며, 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅법을 사용하여 기판의 일면에 도포되거나 막(필름) 형태로 코팅될 수 있다. The first electrode may be made of a transparent and excellent conductive material as an anode electrode. For example, metals or alloys thereof, such as chromium, copper, zinc, etc .; Metal oxides such as zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO) may be used, but are not limited thereto. The method of forming the first electrode is not particularly limited, and may be applied to one surface of the substrate or coated in a film (film) form using sputtering, E-beam, thermal deposition, spin coating, inkjet printing, and gravure printing.

상기 제2 전극은 캐소드 전극으로서, 예를 들면, 알루미늄, 은, 마그네슘, 구리, 주석, 리튬, 티타늄, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.The second electrode is a cathode electrode, and may be, for example, a metal such as aluminum, silver, magnesium, copper, tin, lithium, titanium, potassium, magnesium, calcium, sodium, and lead or an alloy thereof, but is not limited thereto. Do not.

상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층, 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함할 수 있다. 또는 상기 유기물층은 전자 주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함할 수 있다. The organic material layer may include a hole transport layer, a hole injection layer, or a layer for simultaneously transporting holes and injecting holes. Alternatively, the organic material layer may include an electron injection layer, an electron transport layer, or a layer for simultaneously performing electron injection and electron transport.

본 발명의 일실시형태에 따르면, 상기 유기태양전지는 제1 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 제2 전극으로 이루어질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the organic solar cell may include a first electrode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a second electrode.

상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene doped with poly(styrenesulfonic acid), 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈산화물(NiO), 및 텅스텐 산화물(WOx) 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.The hole transport layer material is PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenediocythiophene doped with poly (styrenesulfonic acid), molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), nickel oxide (NiO), and tungsten oxide ( WO x ) and the like, but is not limited thereto.

상기 전자수송층 물질은 전자추출 금속 산화물이 될 수 있으며, 바람직하게는 아연 산화물(ZnO), 티타늄산화물(TiOx), LiF, 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3) 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.The electron transport layer material may be an electron extraction metal oxide, preferably zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO x ), LiF, cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), and the like, but is not limited thereto.

상기 광활성층은 본 발명에 따른 올인원 단분자를 포함한다(BDTRh-PCBM).The photoactive layer comprises an all-in-one single molecule according to the present invention (BDTRh-PCBM).

이하에서는 제조예 및 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to production examples and examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.

제조예Production Example 1:  One: BDTRhBDTRh -OH 합성-OH synthesis

화합물 (1)(0.5 g, 0.3 mmol)을 건조 클로로포름(10 mL)에 용해시킨 후, 질소 분위기에서 트리에틸아민(triethylamine)을 몇 방울 떨어뜨린다. 화합물 (2)(0.3 g, 1.3 mmol)를 첨가한 후, 12시간 동안 열을 가해 환류시켜 반응을 진행한다. 반응이 끝난 후, 혼합물은 상온으로 온도를 낮춰 메탄올에 침전시킨다. 침전된 고체는 메탄올을 이용하여 씻어준 후, 실리카 겔 칼럼 크로마토그래피(silica gel column chromatography)를 이용하여 정제한다(용매: CH2Cl2/MeOH = 98/2, v/v). 정제 후 얻어진 고체는 검정색이며, 94%의 수득률을 가진다. BDTRh-OH (0.6 g, 94%) 1HNMR(500 MHz, CDCl3):δ (ppm) 7.76 (s, 2H), 7.60 (s, 2H), 7.34 (d, 2H), 7.21 (m, 4H), 7.11 (m, 4H), 7.67 (s, 2H ), 4.12 (t, 4H), 3.67 (t, 4H), 2.94 (t, 4H), 2.82 (t, 4H), 2.77 (t, 4H), 1.78-0.85 (m, 106H); 13CNMR(225 MHz, CDCl3):δ (ppm) 192.2, 167.5, 145.9, 140.9, 140.8, 139.6, 138.6, 137.6, 137.3, 137.2, 136.8, 135.5, 135.0, 134.6, 130.4, 128.3, 127.8, 127.1, 126.0, 125.5, 124.9, 123.2, 120.3, 119.1, 62.8, 44.6, 41.5, 37.1, 34.4, 32.7, 32.5, 31.9, 31.8, 30.4, 30.2, 30.0, 29.7, 29.6, 29.5, 29.4, 29.3, 29.2, 29.0, 27.1, 26.9, 26.4, 25.8, 25.2, 23.1, 22.7, 22.6, 19.7, 14.1, 11.0. HRMS (MALDI): Calcd for C110H144N2O4S14, m/z (M+)= 2004.7216; Found: 2004.7242.Compound (1) (0.5 g, 0.3 mmol) is dissolved in dry chloroform (10 mL), and then a few drops of triethylamine are added in a nitrogen atmosphere. Compound (2) (0.3 g, 1.3 mmol) was added, followed by heating under reflux for 12 hours to proceed with reaction. After the reaction, the mixture is cooled to room temperature to precipitate in methanol. The precipitated solid is washed with methanol and purified by silica gel column chromatography (solvent: CH 2 Cl 2 / MeOH = 98/2, v / v). The solid obtained after purification is black in color and has a yield of 94%. BDTRh-OH (0.6 g, 94%) 1 HNMR (500 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 7.76 (s, 2H), 7.60 (s, 2H), 7.34 (d, 2H), 7.21 (m, 4H), 7.11 (m, 4H), 7.67 (s, 2H), 4.12 (t, 4H ), 3.67 (t, 4H), 2.94 (t, 4H), 2.82 (t, 4H), 2.77 (t, 4H), 1.78-0.85 (m, 106H); 13 CNMR (225 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 192.2, 167.5, 145.9, 140.9, 140.8, 139.6, 138.6, 137.6, 137.3, 137.2, 136.8, 135.5, 135.0, 134.6, 130.4, 128.3, 127.8, 127.1, 126.0, 125.5, 124.9, 123.2, 120.3, 119.1 , 62.8, 44.6, 41.5, 37.1, 34.4, 32.7, 32.5, 31.9, 31.8, 30.4, 30.2, 30.0, 29.7, 29.6, 29.5, 29.4, 29.3, 29.2, 29.0, 27.1, 26.9, 26.4, 25.8, 25.2, 23.1 , 22.7, 22.6, 19.7, 14.1, 11.0. HRMS (MALDI): Calcd for C 11 0 H 144 N 2 O 4 S 14 , m / z (M + ) = 2004.7216; Found: 2004.7242.

제조예Production Example 2:  2: BDTRhBDTRh -- PCBM의PCBM 합성 synthesis

제조예 1에서 합성된 BDTRh(0.15g, 0.07 mmol)와 화합물 (3)(0.17g, 0.18 mmol)을 디클로로메탄(Dichloromethane) 10ml에 용해시킨 후 12시간 동안 열을 가하여 환류시킨다. 혼합물의 온도를 상온으로 낮춘 후, 용매를 제거하여 메탄올에 침전시킨다. 필터 후 얻은 고체는 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피(silica gel column chromatography)를 이용하여 정제한다(용매: CH2Cl2). 정제 후 얻어진 고체는 검정색이며, 42%의 수득률을 가진다. BDTRh-PCBM (0.1 g, 42%) 1HNMR(500 MHz, CDCl3) : δ (ppm) 7.94 (m, 4H), 7.74 (br, 2H), 7.62 (br, 2H), 7.56 (m, 4H), 7.50 (m, 2H), 7.35 (br, 2H), 7.21 (br, 4H), 7.12 (br, 4H), 6.97 (br, 2H), 4.08 (br, 8H), 2.92 (br, 8H), 2.79 (br, 8H), 2.53 (br, 4H), 2.21 (br, 4H), 1.80-0.80 (m, 126H); 13C NMR (225 MHz, CDCl3):δ (ppm) 192.1, 173.1, 167.4, 148.8, 147.8, 146.0, 145.8, 145.12, 145.1, 145.0, 144.9, 144.7, 144.5, 144.4, 144.3, 143.9, 143.7, 143.1, 143.0, 142.9, 142.8, 142.2, 142.1, 142.0, 140.9, 140.7, 139.6, 138.0, 137.6, 137.5, 137.4, 136.7, 135.6, 135.2, 134.7, 132.1, 130.4, 128.4, 128.2, 127.8, 127.3, 126.2, 125.5, 125.0, 123.3, 120.4, 119.2, 79.8, 64.5, 51.8, 44.54, 41.5, 34.4, 34.2, 33.6, 32.5, 31.9, 31.8, 30.4, 30.3, 29.7, 29.6, 29.5, 29.4, 29.3, 29.2, 28.9, 28.4, 26.9, 26.3, 25.8, 25.6, 23.1, 22.7, 22.4, 14.3, 14.1, 11.0. HRMS (MALDI): Calcd for C252H164N2O6S14, m/z (M+)= 3760.8679; Found: 3760.8632.BDTRh (0.15 g, 0.07 mmol) synthesized in Preparation Example 1 and Compound (3) (0.17 g, 0.18 mmol) were dissolved in 10 ml of dichloromethane, and heated to reflux for 12 hours. After lowering the temperature of the mixture to room temperature, the solvent is removed to precipitate in methanol. The solid obtained after the filter is purified by silica gel column chromatography (solvent: CH 2 Cl 2 ). The solid obtained after purification is black in color and has a yield of 42%. BDTRh-PCBM (0.1 g, 42%) 1 HNMR (500 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 7.94 (m, 4H), 7.74 (br, 2H), 7.62 (br, 2H), 7.56 (m, 4H), 7.50 (m, 2H), 7.35 (br, 2H), 7.21 (br, 4H ), 7.12 (br, 4H), 6.97 (br, 2H), 4.08 (br, 8H), 2.92 (br, 8H), 2.79 (br, 8H), 2.53 (br, 4H), 2.21 (br, 4H) , 1.80-0.80 (m, 126H); 13 C NMR (225 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 192.1, 173.1, 167.4, 148.8, 147.8, 146.0, 145.8, 145.12, 145.1, 145.0, 144.9, 144.7, 144.5, 144.4, 144.3, 143.9, 143.7, 143.1 , 143.0, 142.9, 142.8, 142.2, 142.1, 142.0, 140.9, 140.7, 139.6, 138.0, 137.6, 137.5, 137.4, 136.7, 135.6, 135.2, 134.7, 132.1, 130.4, 128.4, 128.2, 127.8, 127.3, 126.2, 125.5 , 125.0, 123.3, 120.4, 119.2, 79.8, 64.5, 51.8, 44.54, 41.5, 34.4, 34.2, 33.6, 32.5, 31.9, 31.8, 30.4, 30.3, 29.7, 29.6, 29.5, 29.4, 29.3, 29.2, 28.9, 28.4 , 26.9, 26.3, 25.8, 25.6, 23.1, 22.7, 22.4, 14.3, 14.1, 11.0. HRMS (MALDI): Calcd for C 252 H 164 N 2 O 6 S 14 , m / z (M + ) = 3760.8679; Found: 3760.8632.

실시예 1: ITO/PEDOT:PSS/광활성층/ZnO/Al 디바이스 제조Example 1 ITO / PEDOT: PSS / Photoactive Layer / ZnO / Al Device Fabrication

ITO 기판을 증류수, 아세톤 및 이소프로판올을 이용하여 초음파로 순차적으로 세정하였다. PEDOT:PSS를 ITO 기판에 스핀 코팅하고 140℃에서 10분 동안 어닐링처리 하였다. BDTRh-OH:PCBM(1.1:1, 혼합중량비) 및 BDTRh-PCBM을 각각 클로로벤젠에 혼합하였다(15 mg/ml). 상기 1.1:1의 혼합중량비는 BDTRh-PCBM의 주개 및 받개의 1:2 몰비로부터 계산된 것이다. N2 충전된 글러브 박스에서 PEDOT:PSS 층의 상부에 광활성층을 스핀-주조했다. ZnO 나노입자들을 문헌(W. J. E. Beek, M. M. Wienk, M. Kemerink, X. Yang, R. A. J. Janssen, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 9505)에 기술된 방법으로 합성하였고 메탄올에 분산시켰다. N2 충전된 글러브 박스에서 광활성층의 상부에 ZnO 용액을 스핀 코팅시켰다. 연속해서, 디바이스는 진공(< 106 Torr) 하에서 펌핑하였고, Al(100 nm)을 역 증발에 의해 증착시켰다. Al 전극의 면적은 13.0 mm2 이였다. The ITO substrate was cleaned sequentially by ultrasonication using distilled water, acetone and isopropanol. PEDOT: PSS was spin coated onto an ITO substrate and annealed at 140 ° C. for 10 minutes. BDTRh-OH: PCBM (1.1: 1, mixed weight ratio) and BDTRh-PCBM were each mixed in chlorobenzene (15 mg / ml). The mixed weight ratio of 1.1: 1 is calculated from the 1: 2 molar ratio of donors and acceptors of BDTRh-PCBM. The photoactive layer was spin-cast on top of the PEDOT: PSS layer in an N 2 filled glove box. ZnO nanoparticles were synthesized by the method described in WJE Beek, MM Wienk, M. Kemerink, X. Yang, RAJ Janssen, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 9505 and dispersed in methanol. ZnO solution was spin coated on top of the photoactive layer in an N 2 filled glove box. Subsequently, the device was pumped under vacuum (<10 6 Torr) and Al (100 nm) was deposited by back evaporation. The area of the Al electrode was 13.0 mm 2 .

이렇게 제조된 유기태양전지의 측정 결과는, 해당 도면과 표에서, 광활성층이 BDTRh-OH:PCBM 블렌드인 경우에는 블렌드(Blend) 디바이스로, 광활성층이 BDTRh-PCBM인 경우에는 올인원(All-in-one) 디바이스로 표현하였다.The measurement results of the organic solar cell thus manufactured are shown as a blend device when the photoactive layer is a BDTRh-OH: PCBM blend and an all-in-one when the photoactive layer is BDTRh-PCBM. -one) expressed as a device.

실험예Experimental Example : 측정방법: How to measure

본 발명에서 아래의 측정은 태양 광 시뮬레이터에서 시료로 빛을 안내하는 고품질의 광섬유를 사용하는 글러브 박스 내에서 측정을 수행했다. Keithley 2635A 소스 측정 장치로 J-V 특성을 수집했다. 100 mW/cm2의 AM 1.5G 조도 하에서 광전지 특성 측정을 위해 얇은 금속으로 만들어진 개구부(13.0 mm2)가 부착되었다. EQE 측정은 주위 조건에서 제논 램프의 단색광(monochromatic light)을 사용하는 PV 측정 QE 시스템을 사용하여 수행되었다. 단색광을 100 Hz에서 절단하고, 강도는 락인 증폭기 (lock-in-amp)을 사용하여 표준 Si 포토 다이오드에 대해 측정했다.In the present invention, the following measurements were performed in a glove box using a high quality optical fiber guiding light to a sample in a solar simulator. JV characteristics were collected with a Keithley 2635A source measurement device. Openings made of thin metal (13.0 mm 2 ) were attached for measuring photovoltaic properties under an AM 1.5G illuminance of 100 mW / cm 2 . EQE measurements were performed using a PV measurement QE system using the monochromatic light of a xenon lamp at ambient conditions. Monochromatic light was cut at 100 Hz and intensity was measured against a standard Si photodiode using a lock-in-amp.

실시예 1에서 제조된 2개의 유기태양전지의 광전지 파라미터는 아래 표 2에 나타내었다.Photovoltaic cell parameters of the two organic solar cells manufactured in Example 1 are shown in Table 2 below.

광활성층Photoactive layer J SC
[mA cm-2]
J SC
[mA cm -2 ]
V OC
[V]
V OC
[V]
FFFF PCE
[%]
PCE
[%]
BlendBlend 5.205.20 0.860.86 0.520.52 2.312.31 All-in-oneAll-in-one 7.027.02 0.970.97 0.360.36 2.442.44

실시예 1에서는 전자수송층으로 ZnO를 사용하였는데, ZnO 층은 본 발명의 올인원 단분자 유기태양전지의 단락회로 전류밀도(J SC)및 Fill-Factor(FF)를 동시에 증가시키는 전자수송층으로 알려져 있다. In Example 1, ZnO was used as the electron transport layer. The ZnO layer is known as an electron transport layer that simultaneously increases the short-circuit current density ( J SC ) and the fill-factor (FF) of the all-in-one monomolecular organic solar cell of the present invention.

올인원 단분자로 이루어진 광활성층의 제조 조건을 최적화하기 위하여, 본 발명자들은 종래 알려져 있는 가공 첨가제, 용매 증류 어닐링, 및 열적 어닐링과 같은 몇몇 처리들을 시도하였다. 종래의 이들 처리들은 주개 도메인과 받개 도메인의 나노 크기의 모폴로지를 제어하기 위한 것이다. 본 발명의 올인원 단분자는 주개와 받개가 분자 구조로서 물리적으로 연결되어 있기 때문에 상기한 종래 처리들이 본 발명의 디바이스에서는 적용될 수 없다. 따라서, 본 발명의 단분자 유기태양전지는 유기 단분자로 이루어진 광활성층에 대해 어떠한 처리도 없이 제조되었다. 아래 표 3은 광활성층 무처리 디바이스와 종래 방법으로 광활성층을 처리한 디바이스들의 광전지 특성을 나타낸 것이다.In order to optimize the production conditions of the photoactive layer consisting of all-in-one monomolecules, the inventors have tried several treatments such as processing additives, solvent distillation annealing, and thermal annealing which are known in the art. These conventional processes are for controlling the nanoscale morphology of the donor and acceptor domains. The all-in-one monomolecule of the present invention cannot be applied to the device of the present invention because the donor and the acceptor are physically connected as a molecular structure. Therefore, the monomolecular organic solar cell of the present invention was produced without any treatment for the photoactive layer composed of the organic monomolecule. Table 3 below shows the photovoltaic characteristics of the photoactive layer untreated device and the devices treated with the photoactive layer by the conventional method.

아래 표 3에서, 0.4 vol% DIO는 용액에 첨가제를 추가하여 모폴로지를 조절하는 것이고, CF vapor annealing은 필름에 용매 증기를 가하여 모폴로지를 조절하는 것이고, 80℃ thermal annealing은 필름에 열을 가하여 모폴로지를 조절하는 것이다.In Table 3 below, 0.4 vol% DIO is to control the morphology by adding an additive to the solution, CF vapor annealing is to control the morphology by applying solvent vapor to the film, 80 ℃ thermal annealing is to heat the film to morphology To adjust.

광활성층
처리
Photoactive layer
process
J SC
[mA cm-2]
J SC
[mA cm -2 ]
V OC
[V]
V OC
[V]
FFFF PCE
[%]
PCE
[%]
무처리(w/o)No treatment (w / o) 7.027.02
0.97

0.97

0.36

0.36

2.44

2.44
0.4 vol% DIO0.4 vol% DIO
3.92

3.92

0.27

0.27

0.30

0.30

0.32

0.32
CF vapor annealingCF vapor annealing
7.19

7.19

0.83

0.83

0.32

0.32

1.91

1.91
80℃ thermal annealing80 ℃ thermal annealing
6.88

6.88

0.96

0.96

0.35

0.35

2.31

2.31

즉, 본 발명에서 올인원 단분자의 디자인은 유기 단분자를 광활성층으로 포함하는 유기태양전지에서 우수한 성능을 달성하는데 매우 중요하다. 본 발명에 따른 유기태양전지는 최대 2.44%의 PCE를 갖고, 상기 블렌드 유기태양전지와 비교하여 높은 Jsc 및 Voc(개방회로전압)을 갖는다. 이러한 데이터는 현재 보고된 유기태양전지의 PCE와 비교하여 매우 높은 값이다. 아래 표 4는 종래 문헌들에 보고된 유기태양전지들의 광전지 특성과 본 발명에 따른 유기태양전지의 광전지 특성을 비교한 것이다.That is, in the present invention, the design of the all-in-one monomolecule is very important for achieving excellent performance in the organic solar cell including the organic monomolecule as the photoactive layer. The organic solar cell according to the present invention has a maximum of 2.44% PCE, and has a high J sc and V oc (open circuit voltage) compared to the blended organic solar cell. These data are very high compared to the PCE of the presently reported organic solar cells. Table 4 below compares the photovoltaic properties of the organic solar cells reported in the conventional literatures with those of the organic solar cell according to the present invention.

문헌명Document name J SC
[mA cm-2]
J SC
[mA cm -2 ]
V OC
[V]
V OC
[V]
FFFF PCE
[%]
PCE
[%]
EQE (Max.)
[%]
EQE (Max.)
[%]
J. Mater. Chem.,
2007, 17, 2440
J. Mater. Chem.,
2007, 17, 2440
0.930.93 0.700.70 0.230.23 0.150.15 31
(@440nm)
31
(@ 440nm)
Chem. Commun.,
2009, 2469
Chem. Commun.,
2009, 2469
3.33.3 0.880.88 0.440.44 1.281.28 40
(@440nm)
40
(@ 440nm)
Chem. Commun.,
2011, 47, 6365
Chem. Commun.,
2011, 47, 6365
4.794.79 0.510.51 0.460.46 1.111.11 27
(@650nm)
27
(@ 650nm)
Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 16138Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 16138 4.554.55 0.910.91 0.460.46 1.921.92 45
(@450nm)
45
(@ 450nm)
Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 12334Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 12334 6.7086.708 0.6630.663 0.4880.488 2.1672.167 38
(@670nm)
38
(@ 670nm)
실시예 1Example 1 7.027.02 0.9650.965 0.3620.362 2.442.44 46
(@550nm)
46
(@ 550nm)

흥미롭게도, 상기 실시예 1에서 제조된 2개의 디바이스들은 기본적으로 동일한 광전 물질을 갖는데도 불구하고, 본 발명의 올인원 디바이스의 Voc는 블렌드 디바이스의 Voc와 비교하여 약 0.1 V 증가하였다. 블렌드 디바이스와 본 발명의 올인원 디바이스의 외부 양자 효율(EQE) 스펙트럼은 각각 약 708 nm 및 약 697 nm의 오프셋을 갖는 박막 필름의 흡수 스펙트럼을 따르고(도 2b 및 도 2b의 삽입도), 이것은 BDTRh-OH의 밴드갭보다 더 넓은 BDTRh-PCBM의 밴드갭과 일치한다(도 1b). EQE 스펙트럼에 기초하여 계산된 Jsc는 블렌드 디바이스와 본 발명의 올인원 디바이스에서 각각 5.20 mA cm-2 및 6.18 mA cm-2이다. 올인원 디바이스의 최대 EQE는 420 nm에서 46%이고, 이것은 보고된 단분자 OSCs의 EQE에서 최대 EQE이다(표 4).Interestingly, although the two devices fabricated in Example 1 had essentially the same photovoltaic material, the V oc of the all-in-one device of the present invention increased about 0.1 V compared to the V oc of the blend device. The external quantum efficiency (EQE) spectra of the blend device and the all-in-one device of the present invention follow the absorption spectra of the thin film with offsets of about 708 nm and about 697 nm, respectively (inset of FIGS. 2B and 2B), which is BDTRh- It is consistent with the bandgap of BDTRh-PCBM which is wider than the bandgap of OH (FIG. 1B). The calculated J sc based on the EQE spectrum is 5.20 mA cm −2 and 6.18 mA cm −2 in the blend device and the all-in-one device of the present invention, respectively. The maximum EQE of the all-in-one device is 46% at 420 nm, which is the maximum EQE of the reported single molecule OSCs' EQE (Table 4).

또한, 블렌드 디바이스 및 본 발명의 올인원 디바이스에서 하전 수송 재결합(charge carrier recombination)을 조사하기 위해 Jsc 및 Voc의 광 세기 의존성이 측정되었다(도 2c 및 도 2d). 올인원 디바이스에서 이(bi)분자 재결합은 블렌드 디바이스에 대한 기울기(0.9078)와 비교하여 광 세기 대비 Jsc의 로그-로그 플롯(log-log plot)에서 unity에 더 인접한 기울기로 억제된다(0.9436). 광 세기 대비 Voc의 반 대수 플롯(Semi-logarithmic plot)은 올인원 디바이스의 기울기가 블렌드 디바이스의 기울기보다 kT/q에 더 가깝다는 것을 보여준다. 그것은 트랩-보조 재결합과 같은 전하 재결합이 억제된다는 것을 의미한다. 올인원 단분자 구조는 광활성층에서 잘 분포된 주개-받개(D/A) 인터페이스를 제공할 수 있다. 이것은 주개-받개(D/A) 인터페이스에서 엑시톤 분리를 용이하게 할 수 있으며, 본 발명의 디바이스 결과(표 1)와 같이 디바이스의 전하 재결합을 줄임으로써 올인원 디바이스에서 Jsc를 개선하는 데 도움이 된다.In addition, the light intensity dependence of J sc and V oc was measured to investigate charge carrier recombination in the blend device and the all-in-one device of the present invention (FIGS. 2C and 2D). Bi-molecule recombination in the all-in-one device is suppressed by the slope closer to unity in the log-log plot of J sc versus light intensity (0.9436) compared to the slope for the blend device (0.9078). A semi-logarithmic plot of V oc versus light intensity shows that the slope of the all-in-one device is closer to kT / q than the slope of the blend device. That means that charge recombination, such as trap-assisted recombination, is suppressed. The all-in-one monomolecular structure can provide a well distributed donor-dock (D / A) interface in the photoactive layer. This can facilitate exciton separation at the donor-receiver (D / A) interface and help improve J sc in all-in-one devices by reducing the charge recombination of the device as shown in the device results of the present invention (Table 1). .

블렌드 디바이스의 FF와 비교하여 올인원 디바이스의 낮은 FF는 어둠에서의 J-V 특성의 측정 및 광전류(Jph) 대(versus) 유효 전압(Veff)로부터 추론할 수 있다(도 3). 올인원 디바이스의 역 바이어스 전압에서의 누설 전류는 블렌드 디바이스의 누설 전류보다 약간 높지만, 올인원 디바이스의 정류율(rectification ratio)은 블렌드 디바이스의 정류율보다 낮다. Jph 대 Veff 플롯은 두 디바이스 모두에서 포화되지 않았고, 올인원 디바이스의 플롯에서 안정기 영역(plateau region)은 혼합 디바이스의 플롯과 비교하여 Veff가 더 높게 나타났다. 즉, 전극으로의 전하 수집 및 추출은 블렌드 디바이스에 비해 올인원(all-in-one) 디바이스에서 어려움이 있다.The low FF of the all-in-one device compared to the FF of the blend device can be deduced from the measurement of JV characteristics in the dark and from the photocurrent J ph versus effective voltage V eff (FIG. 3). The leakage current at the reverse bias voltage of the all-in-one device is slightly higher than the leakage current of the blend device, but the rectification ratio of the all-in-one device is lower than that of the blend device. The J ph vs. V eff plot was not saturated in both devices, and the plateau region in the plot of the all-in-one device showed higher V eff compared to the plot of the mixed device. That is, charge collection and extraction to the electrodes are difficult in all-in-one devices compared to blend devices.

블렌드 막 및 올인원 막의 전하 캐리어 수송 특성을 조사하기 위해, 유기 전계 효과 트랜지스터(OFET)를 제작하였다(도 4). OFET 다바이스는 상부 접촉 및 하부 게이트 구조로 제작되었다. 고농도로 도핑된 n 형 Si 기판을 게이트 전극으로 사용하고, 유전체층으로 열적 성장 이산화 규소(SiO2) 층을 사용했다. SiO2/Si 기판을 아세톤 및 이소프로판올로 순차적으로 세정하고, 100 ℃의 오븐에서 1 시간 동안 건조시켰다. 건조 후, 기판을 N2로 충진 된 글로브 박스 내로 옮겼다. BDTRh-OH, BDTRh-OH : PCBM 및 BDTRh-PCBM 층을 2000 rpm에서 용액(CB에서 15 mg/mL)으로부터 SiO2 층 위에 스핀-주조했다. 소스 및 드레인 전극으로서 Ag(70nm)를 진공 (약 10-6 Torr)하에 열적으로 증발시켰다. 소스-드레인 접촉의 깍지형 구조(interdigitated structure)는 50 ㎛의 채널 길이(L)와 2,950 ㎛의 채널 폭(W)을 결정 하였다. Keithley 반도체 매개 변수 분석기(Keithley 4200-SCS)를 사용하여 전기적 특성을 질소 하에서 측정했다. 이동도(μ)는 포화 영역에서 다음 방정식을 사용하여 결정된다. Ci는 SiO2 유전체(Ci = 15nF/cm2)의 단위 면적당 정전 용량이고, Ids는 드레인 - 소스 전류이고, Vgs는 게이트 전압이며, Ids는 (WCi/2L) × μ × (Vgs-VT) VT는 임계 전압이다.In order to investigate the charge carrier transport characteristics of the blend film and the all-in-one film, an organic field effect transistor (OFET) was fabricated (FIG. 4). OFET devices are fabricated with top contact and bottom gate structures. A heavily doped n-type Si substrate was used as the gate electrode, and a thermally grown silicon dioxide (SiO 2 ) layer was used as the dielectric layer. The SiO 2 / Si substrates were washed sequentially with acetone and isopropanol and dried in an oven at 100 ° C. for 1 hour. After drying, the substrates were transferred into a glove box filled with N 2 . BDTRh-OH, BDTRh-OH: PCBM and BDTRh-PCBM layers were spin-cast onto a SiO 2 layer from solution (15 mg / mL in CB) at 2000 rpm. Ag (70 nm) as source and drain electrodes was thermally evaporated under vacuum (about 10 −6 Torr). The interdigitated structure of the source-drain contact determined the channel length (L) of 50 μm and the channel width (W) of 2,950 μm. Electrical properties were measured under nitrogen using a Keithley semiconductor parameter analyzer (Keithley 4200-SCS). The mobility μ is determined using the following equation in the saturation region. Ci is the capacitance per unit area of SiO 2 dielectric (Ci = 15nF / cm 2 ), I ds is the drain-source current, V gs is the gate voltage, and Ids is (WCi / 2L) × μ × (Vgs-VT ) V T is the threshold voltage.

도 4에서 (a)는 초기 BDTRh-OH(코어) OFET의 전송 특성을 나타내며 (b)는 블렌드 OFET 및 올인원 OFET의 양극성 전송 특성을 보여준다.In Figure 4 (a) shows the transfer characteristics of the initial BDTRh-OH (core) OFET and (b) shows the bipolar transfer characteristics of the blend OFET and all-in-one OFET.

코어 및 블렌드의 홀 이동도(μh)는 각각 11.5 x 10-4 cm2 V-1 s-1 및 9.55 x 10-5cm2V-1s-1로 계산되었지만, 올인원의 홀 이동도는 1.03 × 10-6cm2V-1s-1이다. 올인원 OFET의 출력 특성은 또한 블렌드 OFET의 출력 특성과 비교하여 악화되었다(도 4의 (c) 및 (d)). 이는 올인원(all-in-one) 단분자의 코어 부분이 블렌드 막에 비해 막에서 포장되거나 잘 배열되기 어렵다는 것을 나타낸다. 원자 힘 현미경(AFM) 및 방목 입사각 광각 X-선 산란(GIWAXS)에 의한 필름 형태학 연구는 이러한 주장을 뒷받침한다.The hole mobility of the core and blend (μ h ) was calculated to be 11.5 x 10 -4 cm 2 V -1 s -1 and 9.55 x 10 -5 cm 2 V -1 s -1 , respectively, but the hole mobility of the all-in-one is 1.03 × 10 −6 cm 2 V −1 s −1 . The output characteristics of the all-in-one OFET were also worse compared to the output characteristics of the blended OFETs (Figs. 4 (c) and (d)). This indicates that the core portion of the all-in-one monomolecule is less likely to be packed or arranged well in the membrane compared to the blend membrane. Film morphology studies by atomic force microscopy (AFM) and grazing incidence wide angle X-ray scattering (GIWAXS) support this claim.

공간 전하 제한 전류(SCLC)는 수직 방향의 전하 캐리어 이동도를 조사하기 위해 광전지 디바이스 특성과 직접 관련되어 측정되었다(도 5). 광활성 층이 광전지 디바이스와 동일한 제조 조건으로 홀 전용(ITO/PEDOT:PSS/광 활성층/Au) 및 전자 전용(불소 첨가 산화 주석(FTO)/광활성 층/Al) 디바이스가 제조되었다. 측정의 정확성을 보장하기 위해 전극의 직렬 저항(V SR ) 및 내장 전위(V bi )로 인한 전위 변화가 보정인자로 고려되었다.Space charge limiting current (SCLC) was measured directly in relation to photovoltaic device characteristics to investigate charge carrier mobility in the vertical direction (FIG. 5). Hole-only (ITO / PEDOT: PSS / photoactive layer / Au) and electron-only (fluorine-doped tin oxide (FTO) / photoactive layer / Al) devices were fabricated under the same manufacturing conditions as the photoactive layer. To ensure the accuracy of the measurement, the potential change due to the series resistance ( V SR ) and the built-in potential ( V bi ) of the electrode was considered as a correction factor.

올인원 막(~ 10-6cm2V-1s-1)의 계산된 μ h 는 블렌드 막(~ 10-7cm2V-1s-1)보다 한 차수 더 높지만, 블렌드 막 및 올인원 막의 전자이동도는 약 10-6cm2V-1s-1로 나타난다(표 5). All in one film (~ 10 -6 cm 2 V -1 s -1) of the calculated μ h is the blend layer (~ 10 -7 cm 2 V -1 s -1) than an order of magnitude more high, but the blend film and a film-one E Mobility is shown as about 10 −6 cm 2 V −1 s −1 (Table 5).

샘플Sample μh
[cm2s-1V-1]
μ h
[cm 2 s -1 V -1 ]
μe
[cm2s-1V-1]
μ e
[cm 2 s -1 V -1 ]
μeh μ e / μ h
블렌드Blend 1.92´10-7 1.92´10 -7 2.65´10-6 2.65´10 -6 13.813.8 올인원All-in-one 1.01´10-6 1.01´10 -6 2.72´10-6 2.72´10 -6 2.692.69

블렌드 막과 올인원 막의 전자-정공 이동도의 비는 각각 13.8과 2.69로, 단분자 유기태양전지는 2분자 블렌드 유기태양전지보다 균형 잡힌 전하 캐리어 이동도를 나타낸다. 이는 블렌드 디바이스에 비해 단분자 디바이스의 높은 J sc 를 지지하며 특정 D/A 배열은 홀 및 전자 전하 캐리어 이동도의 균형을 유지하는 이점을 가질 수 있다.The ratio of electron-hole mobility between the blend film and the all-in-one film is 13.8 and 2.69, respectively, and the monomolecular organic solar cell exhibits more balanced charge carrier mobility than the bimolecular blend organic solar cell. This supports the high J sc of monomolecular devices compared to blend devices and certain D / A arrangements can have the advantage of balancing hole and electron charge carrier mobility.

이하에서 이에 대해 자세히 설명한다.This will be described in detail below.

올인원 디바이스의 V oc 개선을 이해하기 위해, 블렌드 시스템 및 올인원 시스템의 D/A 분자간 전하 이동(CT) 상태 에너지를 조사했다. 수학식 1을 사용하여 CT 영역 및 CT 대역에서 EQE 스펙트럼을 도 6(b)에 나타내었다.To understand the V oc improvement of the all-in-one device, the D / A intermolecular charge transfer (CT) state energy of the blend system and the all-in-one system was investigated. Equation 1 is used to show the EQE spectrum in the CT region and the CT band in FIG. 6 (b).

Figure 112017052153525-pat00006
Figure 112017052153525-pat00006

상기 식에서, E는 광자 에너지, k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도이다. 피팅 파라미터(fitting parameter) f는 상태 수에 비례하는 프리 팩터이고, ECT는 CT 상태의 CT 여기 상태 에너지에 대한 CT 컴플렉스 기저 상태의 에너지 차이이며, λ는 재구성 에너지 용어(λ0)를 포함하는 CT 흡수 밴드 폭과 관련이 있다(W. Zhao, D. Qian, S. Zhang, S. Li, O. Inganas, F. Gao, J. Hou, Adv Mater 2016, 28, 4734; K. R. Graham, C. Cabanetos, J. P. Jahnke, M. N. Idso, A. El Labban, G. O. Ngongang Ndjawa, T. Heumueller, K. Vandewal, A. Salleo, B. F. Chmelka, A. Amassian, P. M. Beaujuge, M. D. McGehee, J Am Chem Soc 2014, 136, 9608; N. A. Ran, J. A. Love, C. J. Takacs, A. Sadhanala, J. K. Beavers, S. D. Collins, Y. Huang, M. Wang, R. H. Friend, G. C. Bazan, T. Q. Nguyen, Adv Mater 2016, 28, 1482; K. Vandewal, K. Tvingstedt, A. Gadisa, O. InganaJ. V. Manca, Physical Review B 2010, 81, 참조).Where E is photon energy, k is Boltzmann's constant, and T is absolute temperature. The fitting parameter f is a prefactor proportional to the number of states, E CT is the energy difference of the CT complex ground state with respect to the CT excitation state energy of the CT state, and λ comprises the reconstruction energy term λ 0 . Related to CT absorption band width (W. Zhao, D. Qian, S. Zhang, S. Li, O. Inganas, F. Gao, J. Hou, Adv Mater 2016, 28, 4734; KR Graham, C. Cabanetos, JP Jahnke, MN Idso, A. El Labban, GO Ngongang Ndjawa, T. Heumueller, K. Vandewal, A. Salleo, BF Chmelka, A. Amassian, PM Beaujuge, MD McGehee, J Am Chem Soc 2014, 136, 9608; NA Ran, JA Love, CJ Takacs, A. Sadhanala, JK Beavers, SD Collins, Y. Huang, M. Wang, RH Friend, GC Bazan, TQ Nguyen, Adv Mater 2016, 28, 1482; K. Vandewal, K. Tvingstedt, A. Gadisa, O. Ingana J. V. Manca, Physical Review B 2010, 81,).

또한, 활성층 구성 요소의 밴드 갭 에너지 (Eg*)를 ECT (Eloss = Eg* - ECT)에서 뺀 에너지 손실(Eloss)을 평가했다. Eg*는 광 활성 구성 요소의 여기 에너지를 의미하는, 블렌드 막 및 올인원 막의 tauc 플롯(도 6(a))에서 추출되었다. 맞춤 곡선의 ECT 값은 블렌드 및 올인원 디바이스의 경우 각각 1.46eV 및 1.56eV이다. Voc와 ECT (Voc ECT / q - 0.6) 사이의 경험적 관계는 측정 된 ECT 값이 측정된 Voc와 일치한다는 것을 보여준다(표 1). 올인원 디바이스의 Eloss는 0.28 eV(= 1.84 eV - 1.56 eV)인 반면, 블렌드 디바이스의 에너지 손실은 0.35 eV(= 1.81 eV - 1.46 eV)이다. 올인원 시스템에서 Voc의 개선은 D/A CT의 에너지 손실을 완화함으로써 달성되었다.In addition, the energy loss (E loss ) was obtained by subtracting the band gap energy (Eg * ) of the active layer component from E CT (E loss = Eg * -E CT ). Eg * was extracted from the tauc plot of the blend film and the all-in-one film, which means the excitation energy of the photoactive component (FIG. 6 (a)). The E CT values of the fit curve are 1.46 eV and 1.56 eV for blend and all-in-one devices, respectively. The empirical relationship between V oc and E CT (V oc E CT / q-0.6) shows that the measured E CT values agree with the measured V oc (Table 1). The E loss of the all-in-one device is 0.28 eV (= 1.84 eV-1.56 eV), while the energy loss of the blend device is 0.35 eV (= 1.81 eV-1.46 eV). The improvement in V oc in the all-in-one system was achieved by mitigating the energy loss of the D / A CT.

또 다른 피팅 파라미터 λ는 분자 배열과 에너지 상태의 균일함을 의미한다. 낮은 λ는 특정한 분자 배열의 존재를 의미하며, 이는 에너지 상태의 균일함을 나타내고 전하 분리를 촉진한다. 단분자 유기태양전지(OSC)는 2분자 블렌드 디바이스의 λ(0.23 eV)보다 낮은 λ 값(0.10 eV)을 갖는다. 즉, 올인원 분자 구조는 에너지 장애를 완화시킬 수 있는 특정 D/A 배열을 구성하는 이점이 있다.Another fitting parameter λ means uniformity of molecular arrangement and energy state. Low λ indicates the presence of a specific molecular arrangement, which indicates uniformity of the energy state and promotes charge separation. Monomolecular organic solar cells (OSCs) have a lambda value (0.10 eV) lower than the lambda (0.23 eV) of a two-molecule blend device. In other words, the all-in-one molecular structure has the advantage of constituting specific D / A arrays that can alleviate energy disturbances.

정상 상태(steady-state)의 광 발광(photoluminescence, PL)을 BDTRh-OH, BDTRh-OH:PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM에 기록하여 엑시톤 재조합 및 전하 이동을 연구했다. 블렌드 시스템 및 올인원 시스템에서 BDTRh 성분을 대부분 여기시키기 위한 여기 에너지는 2.17eV였다(도 7의 (a)). 순수한 BDTRh-OH, BDTRh-OH:PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM의 광 발광(PL) 스펙트럼은 도 7의 (b)에 나타난다. BDTRh-OH:PCBM 블렌드 막의 PL 스펙트럼과 BDTRH-OH 막의 비교에서, PL 방출은 거의 ?칭(94.8 %)되었다. 또한, BDTRh-OH와 비교했을 때 올인원 시스템에 있는 PL도 완전히 ?칭되었다(96.4%). 두 관찰 결과는 BDTRh-PCBM 에서도 블렌드 시스템과 같이 BDTRh 로부터 PCBM으로 효율적인 전자 전달이 있음을 나타낸다 (후술되는 일시적인 흡수 데이터에 의해도 뒷받침됨).Steady-state photoluminescence (PL) was recorded in BDTRh-OH, BDTRh-OH: PCBM blends and BDTRh-PCBM to study exciton recombination and charge transfer. The excitation energy to excite most of the BDTRh component in the blend system and all-in-one system was 2.17 eV (FIG. 7A). The photoluminescence (PL) spectra of pure BDTRh-OH, BDTRh-OH: PCBM blend and BDTRh-PCBM are shown in Figure 7 (b). In the comparison of the BD spectrum of the BDTRh-OH: PCBM blend membrane with the BDTRH-OH membrane, the PL emission was nearly quenched (94.8%). In addition, the PL in the all-in-one system was also fully quenched (96.4%) compared to BDTRh-OH. Both observations indicate that there is an efficient electron transfer from BDTRh to PCBM as well as the blend system in BDTRh-PCBM (also supported by the transient absorption data described below).

엑시톤 및 전하 생성 역학을 추적하기 위해, BDTRh-OH, BDTRh-OH:PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM에서 펨토초 순간 흡수 분광법(TAS)을 수행했다. 이 실험에서 2.17 eV 펌프 광자를 사용하여 BDTRh 성분을 선택적으로 여기시키고, 최종 동적 특성은 여기 후 다른 시간 지연에서 스펙트럼의 근적외선 영역에서 광대역 프로브 펄스의 차등 전송을 측정하여 모니터링한다. 도 8의 (a)는 서로 다른 시간 지연에서 순수한 BDTRh-OH 막의 TAS를 표시한다. 1.1 eV를 중심으로 하는 넓은 음(negative)의 밴드와 1.5 eV를 중심으로 하는 양(positive)의 밴드가 관찰된다. 이러한 밴드(피크)는 BDTRh-OH 단일항(singlet) 여기자의 흡수 및 자극 방출 각각과 일치한다. 음의 밴드의 동역학은 도 8의 (b)에 나타냈다. BDTRh-OH 단일항 여기자는 20 ps (1 / e time)의 수명으로 붕괴된다.Femtosecond Instantaneous Absorption Spectroscopy (TAS) was performed on BDTRh-OH, BDTRh-OH: PCBM blends and BDTRh-PCBM to track the exciton and charge generation kinetics. In this experiment, a 2.17 eV pump photon is used to selectively excite the BDTRh component, and the final dynamics are monitored by measuring the differential transmission of the broadband probe pulses in the near infrared region of the spectrum at different time delays after excitation. 8 (a) shows the TAS of the pure BDTRh-OH membrane at different time delays. A broad negative band centered at 1.1 eV and a positive band centered at 1.5 eV are observed. This band (peak) is consistent with the absorption and stimulus release of the BDTRh-OH singlet excitons, respectively. The dynamics of the negative bands are shown in Figure 8 (b). BDTRh-OH singlet excitons decay with a lifetime of 20 ps (1 / e time).

도 9a와 9b는 서로 다른 시간 지연에서 BDTRh-OH:PCBM 블렌드와 BDTRh-PCBM의 TAS를 나타낸다. 엑시톤 밴드 ~ 1eV 이외에 강한 폴라론(polaron) 밴드가 두 샘플 모두 ~ 1.4eV에 집중되는 것을 관찰했다. 엑시톤 및 폴라론 광-유도 흡수(photo-induced absorption, PIA) 스펙트럼의 특성은 폴리머 블렌드에서의 초기 TAS 결과와 일치한다. 도 9c 및도 9d는 BDTRh-OH : PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM 필름에 대해 ~ 1.03eV 및 ~ 1.4eV에서 TAS 시그날의 시간에 따른 변화를 도시한다. 싱글렛 엑시톤은 싱글렛 엑시톤 밴드 ~ 1.03 eV의 급격한 감쇠로 표시되는 것처럼 두 샘플 모두에서 초고속 전하 이동을 거친다. BDTRh-OH : PCBM 블렌드에 대한 싱글렛 엑시톤 감쇠 시간(2 ps)은 BDTRh-OH 필름 (20 ps)보다 훨씬 빠르며 광 유도 전하 이동의 높은 효율을 나타낸다. 또한, 지연에서 1.03 eV 피크의 순간 신호 증가를 관찰했다. 우리는 또한 폴라론 피크 ~ 1.4eV의 역학을 모니터링했다. 이 블렌드의 폴라론 수명은 350ps(1 / e 시간)이다. BDTRh-PCBM에서 전자 전달 시간은 300 fs이고 폴라론 수명(3.5 ns)은 BDTRh-OH : PCBM과 비교하여 더 긴 차수이다. 1.03eV에서의 순간 신호도 1ps 후에 증가하고 1ns까지 상승한다.9A and 9B show the TAS of the BDTRh-OH: PCBM blend and BDTRh-PCBM at different time delays. In addition to the exciton band ˜1 eV, a strong polaron band was observed in both samples at 1.4 eV. The properties of the exciton and polaron photo-induced absorption (PIA) spectra are consistent with the initial TAS results in the polymer blend. 9C and 9D show the change over time of the TAS signal at ˜1.03 eV and ˜1.4 eV for BDTRh-OH: PCBM blend and BDTRh-PCBM films. Singlet excitons undergo ultrafast charge transfer in both samples, as indicated by the rapid attenuation of the singlet exciton bands to 1.03 eV. The singlet exciton decay time (2 ps) for the BDTRh-OH: PCBM blend is much faster than the BDTRh-OH film (20 ps) and shows high efficiency of photo induced charge transfer. We also observed an instantaneous signal increase of the 1.03 eV peak at the delay. We also monitored the dynamics of the Polaron peak ~ 1.4 eV. The polaron lifetime of this blend is 350 ps (1 / e hour). The electron transfer time in BDTRh-PCBM is 300 fs and the polaron lifetime (3.5 ns) is a longer order compared to BDTRh-OH: PCBM. The instantaneous signal at 1.03 eV also increases after 1 ps and rises to 1 ns.

이 상승의 원인을 이해하기 위해, 도 10에서 광원 세기 의존 TAS를 수행했다. 우리는 이후 1.03eV 피크의 강도 의존성 동역학을 관찰했다(도 10a 및 10b). 우리는 전자와 정공의 재조합을 통해 이것이 삼중항 엑시톤 생성에 기여한 것으로 생각한다. 그러나, 1.03eV에서의 초기 동역학은 광 세기에 독립적이며, 이는 우리의 측정에서 엑시톤 소멸이 없음을 의미한다. 우리는 또한 자유 전하의 비 이중(geminate)(bimolecular) 재조합에 해당하는 폴라론(polaron) 피크 붕괴의 강한 광원 세기 의존성을 관찰했다(도 10(c) 및 10(d)). 전하의 비이중 재조합은 이들 측정에서 전하가 추출되지 않기 때문에 빛의 세기가 증가함에 따라 증가한다(0V 바이어스). 유사한 광 여기 밀도에서, BDTRh-PCBM 블렌드에 비해 BDTRh-PCBM에서 삼중항 형성이 매우 강하다. To understand the cause of this rise, a light source intensity dependent TAS was performed in FIG. 10. We then observed the intensity dependent kinetics of the 1.03 eV peak (FIGS. 10A and 10B). We believe that through electron and hole recombination, this contributed to the generation of triplet excitons. However, the initial kinetics at 1.03 eV are independent of light intensity, which means that there is no exciton disappearance in our measurements. We also observed strong light source intensity dependence of polaron peak breakdown, corresponding to bimolecular recombination of free charge (FIGS. 10 (c) and 10 (d)). Non-double recombination of charge increases with increasing light intensity (0V bias) because no charge is extracted in these measurements. At similar optical excitation densities, triplet formation is very strong in BDTRh-PCBM compared to BDTRh-PCBM blends.

블렌드 및 올인원 막의 표면 형태는 탭핑 원자힘 현미경(AFM)으로 비교된다. 형태학적 이미지와 상응하는 상 이미지는 도 11에 도시한다. 블렌드 막은 BDTRh-OH 및 PCBM 도메인을 명확히 구분하고, 올인원 막은 잘 분포된 평면을 갖는다. 구조적으로 연결된 주개들과 받개들은 올인원 시스템에서 스스로 응집이 억제되었지만, 주개와 받개의 자기 응집은 블렌드 시스템에서 나타났다. 또한, 표면 거칠기의 RMS(root-mean-square) 값은 두 막 사이의 높은 차이점을 보여 주며, 블렌드 막의 경우 16.7 nm, 올인원 막의 경우 0.405 nm이다. 이것은 분자 설계가 특정 D/A 배열을 유도한다는 것을 의미하며 이는 도 6b의 λ 추정과 일치하는 결과이다.The surface morphology of the blend and all-in-one film is compared by tapping atomic force microscopy (AFM). The phase image corresponding to the morphological image is shown in FIG. 11. The blend membrane clearly distinguishes the BDTRh-OH and PCBM domains, and the all-in-one membrane has a well distributed plane. Structurally connected donors and rests were self-inhibited in all-in-one systems, but self-aggregation of donors and rests appeared in the blend system. In addition, the root-mean-square (RMS) value of the surface roughness shows a high difference between the two films, 16.7 nm for the blend film and 0.405 nm for the all-in-one film. This means that the molecular design leads to a specific D / A arrangement, which is consistent with the λ estimate of FIG. 6B.

원래의(pristine) BDTRh-OH(코어) 막 및 BDTRh-PCBM(올인원) 막, BDTRh-OH : PCBM(블렌드) 막에서 분자 패킹의 세부 분석을 위해 거친 저입사각 광각 X 선 산란 (GIWAXS) 측정이 수행되었다(도 12). GIWAXS 측정에서 파생된 패킹 파라미터는 표 6에 요약되어 있다. Coarse low-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) measurements are available for detailed analysis of molecular packing on pristine BDTRh-OH (core) membranes and BDTRh-PCBM (all-in-one) membranes, and BDTRh-OH: PCBM (blend) membranes. Was performed (FIG. 12). The packing parameters derived from the GIWAXS measurements are summarized in Table 6.

Direction
Direction
샘플
Sample
Lamellar stackLamellar stack π-π stackπ-π stack
Scattering vector (q)
[Å-1]
Scattering vector (q)
[Å- 1 ]
d-spacing
[Å]
d-spacing
[Å]
Scattering vector (q)
[Å-1]
Scattering vector (q)
[Å- 1 ]
d-spacing
[Å]
d-spacing
[Å]

In-plane

In-plane
CoreCore 0.29810.2981 21.0821.08 1.6971.697 3.7033.703
BlendBlend 0.29410.2941 21.3621.36 1.6751.675 3.7503.750 All-in-oneAll-in-one 0.30800.3080 20.4020.40 -- --
Out-of-plane

Out-of-plane
CoreCore 0.30690.3069 20.4720.47 1.6681.668 3.7673.767
BlendBlend 0.29500.2950 21.2921.29 -- -- All-in-oneAll-in-one 0.32080.3208 19.5819.58 -- --

원래의 코어 막은 평면 내(in plane) 및 평면 외(out-of-plane) 방향 모두에서 3차수 (300) 및 π- π 스태킹 피크 (010)까지 강한 평면 외 층간 산란 피크를 보유한다. 그 특징은 블렌드 막에 남아 있고, 즉, BDTRh-OH는 PCBM 도메인에서 자유롭게 도메인을 형성한다. 반면 올인원 막은 코어 막 및 블렌드 막에 비해 더 약한 인터라멜라 패킹(100)을 갖는다. BDTRh-PCBM에서 두 개의 연결된 PCBM은 코어부의 분자 패킹을 방해한다. 이 특징은 AFM 결과와 일치한다. 올인원 장치에서 FF가 저하되는 이유는 특정 분자 배열을 형성하는 것이 적절함에도 불구하고 올인원 시스템에서 주개 도메인(donor domain) 자체의 형성이 어렵기 때문일 수 있다. 즉, 올인원 광전지 소분자의 분자 디자인은 주개부와 받개부 각각이 어떻게 그것들의 도메인을 형성하는지를 찾는 데 여전히 어려움을 겪고 있다.The original core membrane has strong out-of-plane scattering peaks up to third order 300 and π-π stacking peaks 010 in both in-plane and out-of-plane directions. The feature remains in the blend film, ie BDTRh-OH freely forms a domain in the PCBM domain. All-in-one membranes, on the other hand, have a weaker interlamellar packing 100 compared to core and blend membranes. In BDTRh-PCBM, two connected PCBMs interfere with the molecular packing of the core. This feature is consistent with the AFM results. The reason why the FF is lowered in the all-in-one device may be that it is difficult to form the donor domain itself in the all-in-one system although it is appropriate to form a specific molecular arrangement. In other words, the molecular design of all-in-one photovoltaic small molecules is still struggling to find out how each of the dorsal and dorsal forms their domains.

결론적으로 본 발명은 올인원 단분자를 사용하여 단분자 유기태양전지를 성공적으로 제시한다. PCE 2.44%는 보고된 올인원 단분자 유기태양전지 중에서 최고 PCE이다. 또한, 본 발명은 이분자(bimolecular) 블렌드 시스템과 비교하여 올인원 시스템의 장점을 제시한다. 올인원 시스템에서 CT 프로세스를 통한 에너지 손실은 현저하게 감소되어 단분자 유기태양전지에서 개선된 VOC를 제공한다. λ 값의 명백한 차이는 올인원 시스템이 구조적으로 연결된 주개와 받개에 의해 D/A 인터페이스에서 특정 분자 구성을 형성하는 데 유리하다는 것을 나타낸다. 또한, 올인원 시스템에서 높은 폴라론 특성, 초고속 전자 전달 및 강력한 삼중항 형성을 나타냈다. 이러한 결과는 올인원 시스템에서 매우 짧은 시간내에 효율적인 전하 생성에도 불구하고 낮은 이동도는 광전력 성능의 향상을 제한한다는 것을 시사한다. 주개와 받개가 올인원 시스템에서 각각 자신의 도메인을 형성하기가 어렵기 때문에 고성능 단분자 유기태양전지를 달성하기 위해서는 여전히 몇 가지 과제가 남아있다. 하지만, 본 발명은 단분자 유기태양전지의 최적화를 위하여 블랜드 유기태양전지와 더불어, 새로운 유형의 장치의 등장 : 단분자 OSC가 OSC의 연구 및 개발에 새로운 길을 열었다고 평가할 수 있다.In conclusion, the present invention successfully proposes a monomolecular organic solar cell using all-in-one monomolecules. PCE 2.44% is the highest reported PCE among all-in-one mono-molecule organic solar cells. The present invention also presents the advantages of an all-in-one system as compared to a bimolecular blend system. In all-in-one systems, energy losses through the CT process are significantly reduced, providing improved V OC in monomolecular organic solar cells. Obvious differences in lambda values indicate that all-in-one systems are advantageous for forming specific molecular configurations at the D / A interface by structurally connected donors and acceptors. In addition, the all-in-one system exhibited high polaron properties, ultrafast electron transfer, and strong triplet formation. These results suggest that, despite efficient charge generation in a very short time in all-in-one systems, low mobility limits the improvement of optical power performance. There are still some challenges to achieving high performance monomolecular organic solar cells because donors and receivers are difficult to form their own domains in all-in-one systems. However, the present invention, together with the blended organic solar cell for the optimization of monomolecular organic solar cell, can be evaluated that the emergence of a new type of device: the monomolecular OSC has opened a new way to research and development of the OSC.

Claims (13)

[A-D-A] 구조를 갖는 유기 단분자로서,
상기 A는 PCBM 유래 화합물이고,
상기 D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 화합물이고,
상기 유기 단분자는 하기 구조식 1의 화합물이고
상기 유기 단분자는 아래 구조식 3의 BDTRh-OH와 [6,6]-페닐-C61-부티르산 클로라이드를 반응시켜 합성된 것인, 유기단분자.
[구조식 1]
Figure 112019011889810-pat00007

[구조식 3]
Figure 112019011889810-pat00021
As an organic single molecule having a [ADA] structure,
A is a compound derived from PCBM,
D is a compound containing benzo [1,2- b : 4,5- b ' ] dithiophene (benzo [1,2- b : 4,5- b' ] dithiophene, BDT) as a central unit,
The organic single molecule is a compound of formula
The organic single molecule is an organic single molecule synthesized by reacting BDTRh-OH of [Formula 3] with [6,6] -phenyl-C61-butyric acid chloride.
[Formula 1]
Figure 112019011889810-pat00007

[Formula 3]
Figure 112019011889810-pat00021
제1항에 있어서, 상기 A는 전자 받개이고, 상기 D는 전자 주개인, 유기 단분자.The organic single molecule according to claim 1, wherein A is an electron acceptor, and D is an electron donor. 제1항에 있어서, 상기 D:A의 몰비는 1:2인, 유기 단분자.The organic single molecule according to claim 1, wherein the molar ratio of D: A is 1: 2. 기판 위에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되고 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기태양전지로서,
상기 광활성층은 [A-D-A] 구조를 갖는 유기 단분자를 포함하는 유기태양전지;
상기 A는 PCBM 유래 화합물이고,
상기 D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 화합물이고,
상기 유기 단분자는 하기 구조식 1의 화합물이고,
상기 유기 단분자는 아래 구조식 3의 BDTRh-OH와 [6,6]-페닐-C61-부티르산 클로라이드를 반응시켜 합성된 것이다.
[구조식 1]
Figure 112019011889810-pat00008

[구조식 3]
Figure 112019011889810-pat00022
An organic solar cell comprising a first electrode formed on a substrate, a second electrode formed to face the first electrode, and at least one organic material layer formed between the first electrode and the second electrode and including a photoactive layer.
The photoactive layer includes an organic solar cell including an organic single molecule having a [ADA] structure;
A is a compound derived from PCBM,
D is a compound containing benzo [1,2- b : 4,5- b ' ] dithiophene (benzo [1,2- b : 4,5- b' ] dithiophene, BDT) as a central unit,
The organic single molecule is a compound of the formula
The organic single molecule is synthesized by reacting BDTRh-OH of [Formula 3] with [6,6] -phenyl-C61-butyric acid chloride.
[Formula 1]
Figure 112019011889810-pat00008

[Formula 3]
Figure 112019011889810-pat00022
제4항에 있어서, 상기 A는 전자 받개이고, 상기 D는 전자 주개인, 유기태양전지.The organic solar cell of claim 4, wherein A is an electron acceptor, and D is an electron donor. 제4항에 있어서, 상기 D:A의 몰비는 1:2인, 유기태양전지.The organic solar cell of claim 4, wherein the molar ratio of D: A is 1: 2. 제4항에 있어서, 상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층, 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함하는, 유기태양전지.The organic solar cell of claim 4, wherein the organic material layer includes a hole transport layer, a hole injection layer, or a layer for simultaneously transporting holes and injecting holes. 제4항에 있어서, 상기 유기물층은 전자 주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함하는, 유기태양전지.The organic solar cell of claim 4, wherein the organic material layer includes an electron injection layer, an electron transport layer, or a layer for simultaneously injecting and transporting electrons. 제4항에 있어서, 상기 유기태양전지는 제1 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 제2 전극으로 이루어진, 유기태양전지.The organic solar cell of claim 4, wherein the organic solar cell includes a first electrode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a second electrode. 제9항에 있어서, 상기 정공수송층의 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene doped with poly(styrenesulfonic acid), 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈산화물(NiO), 및 텅스텐 산화물(WOx)로 이루어진 군에서 선택된 1종인, 유기태양전지.The material of claim 9, wherein the material of the hole transport layer is PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenediocythiophene doped with poly (styrenesulfonic acid), molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), nickel oxide ( NiO), and tungsten oxide (WO x ) is one selected from the group consisting of organic solar cells. 제9항에 있어서, 상기 전자수송층의 물질은 아연 산화물(ZnO), 티타늄산화물(TiOx), LiF, 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3)로 이루어진 군에서 선택된 1종인, 유기태양전지.The organic solar cell of claim 9, wherein the material of the electron transport layer is one selected from the group consisting of zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO x ), LiF, and cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ). 제4항에 있어서, 상기 제1 전극은 크롬, 구리, 아연, 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 및 인듐아연 산화물(IZO)로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는, 유기태양전지.The organic solar cell of claim 4, wherein the first electrode comprises one selected from the group consisting of chromium, copper, zinc, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide (IZO). battery. 제4항에 있어서, 상기 제2 전극은 알루미늄, 은, 마그네슘, 구리, 주석, 리튬, 티타늄, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨 및 납으로 이루어진 군에서 선택된 1종인, 유기태양전지.

The organic solar cell of claim 4, wherein the second electrode is one selected from the group consisting of aluminum, silver, magnesium, copper, tin, lithium, titanium, potassium, magnesium, calcium, sodium, and lead.

KR1020170067839A 2017-05-31 2017-05-31 All in one single molecule and single molecular organic solar cells comprising the same KR102018291B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170067839A KR102018291B1 (en) 2017-05-31 2017-05-31 All in one single molecule and single molecular organic solar cells comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170067839A KR102018291B1 (en) 2017-05-31 2017-05-31 All in one single molecule and single molecular organic solar cells comprising the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180131172A KR20180131172A (en) 2018-12-10
KR102018291B1 true KR102018291B1 (en) 2019-09-05

Family

ID=64670520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170067839A KR102018291B1 (en) 2017-05-31 2017-05-31 All in one single molecule and single molecular organic solar cells comprising the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102018291B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101648760B1 (en) * 2015-04-03 2016-08-17 한국화학연구원 Polymer electron transporting buffer material and organo-electronic devices using the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101648760B1 (en) * 2015-04-03 2016-08-17 한국화학연구원 Polymer electron transporting buffer material and organo-electronic devices using the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SCIENTIFIC REPORTS, 3:3356, 1-8, 2013*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180131172A (en) 2018-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. A non-fullerene electron acceptor modified by thiophene-2-carbonitrile for solution-processed organic solar cells
Schulze et al. Efficient vacuum‐deposited organic solar cells based on a new low‐bandgap oligothiophene and fullerene C60
KR101573611B1 (en) Fullerene derivatives, organic solar cell using the same and fabricating method thereof
EP3473627B1 (en) Heterocyclic compound and organic electronic device comprising same
Arrechea et al. New cyclopentadithiophene (CDT) linked porphyrin donors with different end-capping acceptors for efficient small molecule organic solar cells
Arrechea et al. Efficiency improvement using bis (trifluoromethane) sulfonamide lithium salt as a chemical additive in porphyrin based organic solar cells
Ma et al. Non-fullerene electron acceptors with benzotrithiophene with π-extension terminal groups for the development of high-efficiency organic solar cells
Zhou et al. Applying the heteroatom effect of chalcogen for high-performance small-molecule solar cells
Bhat et al. Versatile aza‐BODIPY‐based low‐bandgap conjugated small molecule for light harvesting and near‐infrared photodetection
EP3511357B1 (en) Polymer and organic solar cell comprising same
Abdullah et al. Highly stable bulk heterojunction organic solar cells based on asymmetric benzoselenadiazole‐oriented organic chromophores
Hemasiri et al. Molecular Interface Engineering via Triazatruxene‐Based Moieties/NiO x as Hole‐Selective Bilayers in Perovskite Solar Cells for Reliability
Guo et al. Impact of peripheral groups on novel asymmetric phthalocyanine-based hole-transporting materials for perovskite solar cells
EP2985801A1 (en) Photoactive layer, organic solar cell comprising same, and manufacturing method therefor
EP3290422B1 (en) Compound and organic solar cell comprising same
Sánchez et al. Increasing the stability of perovskite solar cells with dibenzofulvene-based hole transporting materials
Cho et al. Structural optimization of large acceptor–donor–acceptor-type molecules for improved performance of fullerene-free polymer solar cells
Zulfiqar et al. Thermal-assisted Voc increase in an indenoindene-based non-fullerene solar system
Keshtov et al. Polymer solar cells based on D–A low bandgap copolymers containing fluorinated side chains of thiadiazoloquinoxaline acceptor and benzodithiophene donor units
US11773210B2 (en) Copolymer and organic solar cell comprising same
KR102018291B1 (en) All in one single molecule and single molecular organic solar cells comprising the same
Chen et al. A star-shaped conjugated molecule featuring a triazole core and diketopyrrolopyrrole branches is an efficient electron-selective interlayer for inverted polymer solar cells
Martinez et al. Influence of the presence of Ca in the cathode buffer layer on the performance and stability of organic photovoltaic cells using a branched sexithienylenevinylene oligomer as electron donor
KR101535066B1 (en) Double junction organic photovoltaic device fabricated using organic semiconductor compound, and organic electronic device that contains it
Wang et al. A rhodanine modified poly-triarylamine dye function as a hole transport layer for inverted perovskite solar cells

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right