KR102024826B1 - polymer using photo-active layer of organic solar cell and organic solar cell comprising thereof - Google Patents

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KR102024826B1 KR1020180019512A KR20180019512A KR102024826B1 KR 102024826 B1 KR102024826 B1 KR 102024826B1 KR 1020180019512 A KR1020180019512 A KR 1020180019512A KR 20180019512 A KR20180019512 A KR 20180019512A KR 102024826 B1 KR102024826 B1 KR 102024826B1
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Abstract

본 발명은 유기태양전지 광 활성층용 고분자에 대한 것이다.
본 발명에 따른 유기태양전지 광 활성층용 고분자는, 가시광에 대한 우수한 흡수능을 가지고, 유기 태양전지의 광 활성층 내 전자 주개(electron donor) 화합물로 사용하기 적합한 에너지 준위를 가져, 유기태양전지의 광 전환 효율을 증대시킬 수 있다.
The present invention relates to a polymer for an organic solar cell photoactive layer.
The polymer for an organic solar cell photoactive layer according to the present invention has an excellent absorption capacity for visible light and has an energy level suitable for use as an electron donor compound in the photoactive layer of an organic solar cell, thereby converting light into an organic solar cell. The efficiency can be increased.

Description

유기태양전지 광 활성층용 고분자 및 이를 포함하는 유기태양전지 {polymer using photo-active layer of organic solar cell and organic solar cell comprising thereof}Polymer for organic solar cell photoactive layer and organic solar cell comprising same {polymer using photo-active layer of organic solar cell and organic solar cell comprising

본 발명은 유기태양전지 광 활성층용 고분자 및 이를 포함하는 유기태양전지에 대한 것이다.The present invention relates to a polymer for an organic solar cell photoactive layer and an organic solar cell including the same.

보다 구체적으로, 본 발명은 유기 태양전지의 광 활성층 내 전자 주개(electron donor) 화합물로 사용될 수 있는 1,5-나프티리딘-2,6-다이온 구조를 포함하는 신규 고분자 및 이를 포함하는 우수한 광 전환 효율을 가지는 유기태양전지에 대한 것이다.More specifically, the present invention is a novel polymer comprising a 1,5-naphthyridine-2,6-dione structure that can be used as an electron donor compound in the photoactive layer of an organic solar cell and excellent light containing the same The present invention relates to an organic solar cell having conversion efficiency.

유기태양전지는 전자기기, 자동차 또는 스마트 윈도우 등 미래지향적 분야로서의 응용가능성이 높기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 지난 수십 년간 유기태양전지의 광 전환 효율을 높이기 위하여 새로운 고분자 중합체 개발 및 장치 구조를 개발하는데 많은 연구가 집중되어왔으며, 그 결과 광 전환 효율은 10% 이상 달성되었다. Organic solar cells have received a lot of attention because of their high applicability in future-oriented fields such as electronic devices, automobiles or smart windows. In the past decades, much research has been focused on developing new polymers and device structures in order to increase the light conversion efficiency of organic solar cells.

하지만, 고성능 유기태양전지 성능을 보일 수 있는 고분자 중합체의 종류는 몇 종으로 제한되어 있으며, 특히 고분자 중합체를 구성하는 단위체 물질이 종래에 알려진 고성능 단위체 몇 종으로 한정되어 있기 때문에 물질 개발의 다양성 측면에서 한계를 가지고 있었다. However, the number of polymer polymers that can exhibit high-performance organic solar cell performance is limited to a few species, and in particular, since the unit material constituting the polymer polymer is limited to a few kinds of conventionally known high-performance monomers, Had a limit.

용액 공정용 유기 태양전지에서 높은 성능의 광 전환 효율을 달성하기 위해서는 좋은 특성을 가지는 고분자 중합체 사용이 필수적이다. In order to achieve high performance light conversion efficiency in an organic solar cell for a solution process, the use of a polymer having good properties is essential.

보다 구체적으로, 결정 및 응집이 없으면서 태양광 스펙트럼에서 큰 광 흡수를 하고, 높은 전하 이동성, 적절한 분자 배향 및 우수한 필름 모폴로지를 갖는 고분자 중합체의 개발이 필요하다. More specifically, there is a need for the development of polymer polymers that have large light absorption in the solar spectrum without crystals and aggregation, and have high charge mobility, proper molecular orientation and good film morphology.

이러한 고분자 중합체의 성능은 고분자 중합 시 사용되는 전자 주개(electron donor)형 혹은 전자 받개(electron acceptor)형 반복 단위 물질의 선택에 따라 크게 달라지기 때문에 신규성 반복 단위 물질 사용을 통한 고성능 유기 태양전지용 고분자 중합체의 개발이 필요하다.The performance of these polymers varies greatly depending on the choice of electron donor type or electron acceptor type repeating unit materials used in polymer polymerization. Therefore, polymer polymers for high performance organic solar cells using novel repeating unit materials are used. Development is needed.

본 발명에서는 새로운 단위체를 도입한 신규 고분자 및 이를 이용한 고효율 유기태양전지를 제공한다. The present invention provides a new polymer and a high efficiency organic solar cell using the same.

구체적으로, 본 발명은 가시광 영역에서의 우수한 광 흡수율을 가지는 유기태양전지 광 활성층용 고분자에 대한 것이다. Specifically, the present invention relates to a polymer for an organic solar cell photoactive layer having excellent light absorption in the visible light region.

또한, 본 발명은 우수한 결정성을 가져, 높은 전하 이동성을 가지며, 유기 태양전지의 광 활성층 내 전자 주개(electron donor) 화합물로 사용하기 적합한 에너지 준위를 가지는 유기태양전지 광 활성층용 고분자에 대한 것이다.The present invention also relates to a polymer for an organic solar cell photoactive layer having excellent crystallinity, high charge mobility, and having an energy level suitable for use as an electron donor compound in the photoactive layer of an organic solar cell.

본 발명은 또한, 상기 고분자를 광 활성층에 포함하는 유기 태양전지에 대한 것으로서, 우수한 광 전환 효율을 가지는 유기 태양전지에 대한 것이다.The present invention also relates to an organic solar cell including the polymer in a photoactive layer and to an organic solar cell having excellent light conversion efficiency.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로써, 하기 화학 구조식 1로 표시되는 유기태양전지 광 활성층용 고분자에 대한 것이다. The present invention has been made to solve the above problems, and relates to a polymer for an organic solar cell photoactive layer represented by the following chemical structural formula (1).

[화학 구조식 1][Chemical Structural Formula 1]

Figure 112018017325416-pat00001
Figure 112018017325416-pat00001

상기 화학 구조식 1 에서,In Chemical Formula 1,

상기 X5, X6, X7 및 X8는 각각 독립적으로 O, S, Se, NH 또는 NR"이고,X 5 , X 6 , X 7 and X 8 are each independently O, S, Se, NH, or NR ″,

상기 R5 및 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,R 5 and R 6 are each independently carbon number 1 To 50 An alkyl group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or-(CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,

상기 A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 및 A16는 각각 독립적으로 H, F, Cl, CN, -COOR", -OR", 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 50의 아릴기이고, A 5 , A 6 , A 7 , A 8 , A 9 , A 10 , A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15 and A 16 are each independently H, F, Cl, CN, -COOR ", -OR", 1 carbon To 50 An alkyl group or an aryl group having 6 to 50 carbon atoms,

상기 R"는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,Each R ″ is independently an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or — (CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,

상기 m은 1 내지 20의 정수이고,M is an integer of 1 to 20,

상기 n은 1 내지 1,000의 정수이다.N is an integer of 1 to 1,000.

하나의 예시에서, 상기 R5, R6, A5, A6, A7, A8 및 R"은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 26의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 32의 아릴기일 수 있다. In one example, the R 5, R 6, A 5 , A 6, A 7, A 8 , and R "may be aryl date having 1 to 26 alkyl or C 6 -C 32 of each independently.

하나의 예시에서, 상기 R5 및 R6는 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 14의 알킬기일 수 있다. In one example, R 5 and R 6 may be each independently an alkyl group having 5 to 14 carbon atoms.

하나의 예시에서, 상기 A5, A6, A7 및 A8는 각각 독립적으로 탄소수 9 내지 22의 알킬기일 수 있다. In one example, A 5 , A 6 , A 7 and A 8 may be each independently an alkyl group having 9 to 22 carbon atoms.

하나의 예시에서, 상기 A11, A12, A13 및 A14중 어느 두 종은 서로 오쏘(ortho-) 또는 파라(para-)위치에 치환되며, 각각 독립적으로 F 또는 Cl일 수 있다. In one example, any two species of A 11 , A 12 , A 13, and A 14 may be substituted at an ortho- or para- position with each other, and each may be independently F or Cl.

하나의 예시에서, 상기 고분자는 300nm 내지 1,000nm 파장 내 최대 흡광 파장에서의 흡광 계수가 1.5 x 105cm-1 이상일 수 있다.In one example, the polymer may have an absorption coefficient at a maximum absorption wavelength within a wavelength of 300 nm to 1,000 nm of 1.5 × 10 5 cm −1 or more.

하나의 예시에서, 상기 고분자는 결정 결맞음 길이(Crystalline coherence length, CCL)가 18 Å 내지 30 Å의 범위를 가질 수 있다.In one example, the polymer may have a Crystalline coherence length (CCL) in the range of 18 kV to 30 kV.

본 발명은 또한, 상기와 같은 고분자를 포함하는 유기태양전지에 대한 것이다. 상기 유기태양전지는 서로 대향하여 배치되어 있는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 광 활성층을 포함하며, 상기 광 활성층은 하기 화학 구조식 1로 표시되는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention also relates to an organic solar cell including the polymer as described above. The organic solar cell includes a first electrode and a second electrode disposed to face each other, and includes a photoactive layer positioned between the first and second electrodes, wherein the photoactive layer is represented by Chemical Formula 1 below. It is characterized by including a polymer.

[화학 구조식 1][Chemical Structural Formula 1]

Figure 112018017325416-pat00002
Figure 112018017325416-pat00002

상기 화학 구조식 1 에서,In Chemical Formula 1,

상기 X5, X6, X7 및 X8는 각각 독립적으로 O, S, Se, NH 또는 NR"이고,X 5 , X 6 , X 7 and X 8 are each independently O, S, Se, NH, or NR ″,

상기 R5 및 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,R 5 and R 6 are each independently carbon number 1 To 50 An alkyl group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or-(CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,

상기 A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 및 A16는 각각 독립적으로 H, F, Cl, CN, -COOR", -OR", 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 50의 아릴기이고, A 5 , A 6 , A 7 , A 8 , A 9 , A 10 , A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15 and A 16 are each independently H, F, Cl, CN, -COOR ", -OR", 1 carbon To 50 An alkyl group or an aryl group having 6 to 50 carbon atoms,

상기 R"는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,Each R ″ is independently an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or — (CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,

상기 m은 1 내지 20의 정수이고,M is an integer of 1 to 20,

상기 n은 1 내지 1,000의 정수이다.N is an integer of 1 to 1,000.

하나의 예시에서, 상기 유기태양전지의 상기 제 1 전극은 투명 전극이고, 제 2 전극은 금속 전극이며, 상기 유기태양전지는 상기 제 1 전극의 상기 광 활성층이 존재하는 면의 반대 면에 위치하는 기판을 더 포함할 수 있다. In one example, the first electrode of the organic solar cell is a transparent electrode, the second electrode is a metal electrode, the organic solar cell is located on the opposite side of the surface where the photoactive layer of the first electrode is present. It may further include a substrate.

하나의 예시에서, 상기 광 활성층은 전자 받개(electron accepter) 화합물을 더 포함하는 벌크 이중 접합층(Bulk-heterojunctionlayer)일 수 있다. In one example, the photoactive layer may be a bulk-heterojunctionlayer further comprising an electron acceptor compound.

하나의 예시에서, 상기 전자 받개(electron accepter) 화합물은, 플러렌, 플러렌 유도체, 비플러렌 유기화합물, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 튜브 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In one example, the electron acceptor compound may be a fullerene, a fullerene derivative, a non-fullerene organic compound, a carbon nanotube, a carbon nanotube derivative, vasocuproin, a semiconducting element, a semiconducting compound, or a combination thereof. It may be any one selected from the group consisting of.

상기 유기태양전지는 광 전환 효율(%)이 9% 이상일 수 있다.The organic solar cell may have a light conversion efficiency (%) of 9% or more.

본 발명은 가시광 영역에서의 우수한 광 흡수율을 가지는 유기태양전지 광 활성층용 고분자를 제공할 수 있다.The present invention can provide a polymer for an organic solar cell photoactive layer having excellent light absorption in the visible light region.

또한, 본 발명은 우수한 결정성을 가져, 높은 전하 이동성을 가지며, 유기 태양전지의 광 활성층 내 전자 주개(electron donor) 화합물로 사용하기 적합한 에너지 준위를 가지는 유기태양전지 광 활성층용 고분자를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a polymer for an organic solar cell photoactive layer having excellent crystallinity, high charge mobility, and having an energy level suitable for use as an electron donor compound in the photoactive layer of an organic solar cell. have.

본 발명은 또한, 상기 고분자를 광 활성층에 포함하는 유기 태양전지에 대한 것으로서, 우수한 광 전환 효율을 가지는 유기 태양전지를 제공할 수 있다. The present invention also relates to an organic solar cell including the polymer in a photoactive layer, and can provide an organic solar cell having excellent light conversion efficiency.

물론, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은, 본 발명에 따른 유기태양전지의 일 구조에 대한 모식도이다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 제조예 1 및 2에 따른 광 활성층용 고분자의 흡수 파장에 따른 흡광 계수의 측정 결과를 도시한 것이다.
도 4 및 5는, 본 발명의 제조예 1 및 2에 따른 광 활성층용 고분자의 에너지 레벨을 측정하기 위한 순환 전압-전류법 (Cyclic Voltammetry) 분석 결과를 도시한 것이다.
도 6 및 7은, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 유기태양전지 광 활성층의 원자력간현미경(Atomic force microscopy, AFM) 이미지를 도시한 것이다.
도 8 및 9는, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 유기태양전지의 SCLC (space charge limited current)를 이용한 정공(hole) 및 전자(electron) 이동도(mobility) 측정 결과를 도시한 것이다.
도 10 및 11은, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프 결과를 도시한 것이다.
1 is a schematic diagram of one structure of an organic solar cell according to the present invention.
2 and 3 show the results of measurement of the extinction coefficient according to the absorption wavelength of the photoactive layer polymer according to Preparation Examples 1 and 2 of the present invention.
4 and 5 show the results of cyclic voltammetry analysis for measuring the energy level of the photoactive layer polymer according to Preparation Examples 1 and 2 of the present invention.
6 and 7 illustrate Atomic force microscopy (AFM) images of organic photovoltaic cell photoactive layers according to Examples 1 and 2 of the present invention.
8 and 9 illustrate hole and electron mobility measurement results using space charge limited current (SCLC) of organic solar cells according to Examples 1 and 2 of the present invention.
10 and 11 show the results of the current density (J) -voltage (V) graph of the organic solar cell according to Examples 1 and 2 of the present invention.

이하, 본 발명에 대하여, 도면 및 예시를 들어 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and examples.

본 명세서에서, 단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.In this specification, the singular forms “a”, “an” and “the” include plural forms unless the context clearly dictates otherwise.

본 발명에 따른 고분자는, 유기태양전지의 광 활성층에 포함되어, 전자 주개(electron donor) 화합물로서의 역할을 수행한다.The polymer according to the present invention is included in the photoactive layer of the organic solar cell, and serves as an electron donor compound.

즉, 본 발명은 하기 화학 구조식 1로 표시되는 유기태양전지 광 활성층용 고분자에 대한 것이다.That is, the present invention relates to a polymer for an organic solar cell photoactive layer represented by Chemical Formula 1.

[화학 구조식 1][Chemical Structural Formula 1]

Figure 112018017325416-pat00003
Figure 112018017325416-pat00003

상기 화학 구조식 1 에서,In Chemical Formula 1,

상기 X5, X6, X7 및 X8는 각각 독립적으로 O, S, Se, NH 또는 NR"이고,X 5 , X 6 , X 7 and X 8 are each independently O, S, Se, NH, or NR ″,

상기 R5 및 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,R 5 and R 6 are each independently carbon number 1 To 50 An alkyl group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or-(CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,

상기 A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 및 A16는 각각 독립적으로 H, F, Cl, CN, -COOR", -OR", 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 50의 아릴기이고, A 5 , A 6 , A 7 , A 8 , A 9 , A 10 , A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15 and A 16 are each independently H, F, Cl, CN, -COOR ", -OR", 1 carbon To 50 An alkyl group or an aryl group having 6 to 50 carbon atoms,

상기 R"는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,Each R ″ is independently an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or — (CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,

상기 m은 1 내지 20의 정수이고,M is an integer of 1 to 20,

상기 n은 1 내지 1,000의 정수이다.N is an integer of 1 to 1,000.

상기 화학 구조식 1과 같이, 본 발명에 따른 고분자는 1,5-나프티리딘-2,6-다이온 구조를 포함하는 신규 고분자 화합물로서, 상기와 같은 화학 구조를 통해 태양광에 대한 우수한 광 흡수율을 가진다. 또한, 우수한 결정성을 가져 높은 전하 이동성을 가지며, 전자 주개(electron donor) 화합물로서의 적절한 에너지 준위를 가진다. 따라서, 상기 고분자를 유기태양전지 광 활성층 내 전자 주개(electron donor) 화합물로 이용하는 경우, 높은 단락 전류, 필 팩터(fill factor) 및 우수한 광 전환 효율을 가지는 유기태양전지의 제조할 수 있다. As shown in Chemical Formula 1, the polymer according to the present invention is a novel polymer compound including a 1,5-naphthyridine-2,6-dione structure, and has excellent light absorption rate to sunlight through the chemical structure as described above. Have In addition, it has excellent crystallinity, high charge mobility, and has an appropriate energy level as an electron donor compound. Therefore, when the polymer is used as an electron donor compound in an organic solar cell photoactive layer, an organic solar cell having a high short circuit current, a fill factor, and an excellent light conversion efficiency can be manufactured.

상기 X5, X6, X7 및 X8는 각각 독립적으로 O, S, Se, NH 또는 NR"이고, 상기 R"은 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 50의 아릴기일 수 있다.X 5 , X 6 , X 7 and X 8 are each independently O, S, Se, NH, or NR ″, and R ″ may be an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms or an aryl group having 6 to 50 carbon atoms.

더 구체적인 예시에서, X5, X6, X7 및 X8는 각각 독립적으로 O 또는 S일 수 있다. In more specific examples, X 5 , X 6 , X 7 and X 8 may each independently be O or S.

또한, 상기 R5 및 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고, 상기 R"는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3일 수 있다. In addition, R 5 and R 6 are each independently carbon number 1 To 50 An alkyl group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or-(CH 2 CH 2 O) m CH 3 , wherein each R ″ is independently an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or-(CH 2 CH) 2 O) m CH 3 It may be.

하나의 예시에서, 상기 R5, R6 및 R"은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 46의 알킬기, 탄소수 1 내지 42의 알킬기, 탄소수 1 내지 38의 알킬기, 탄소수 1 내지 34의 알킬기, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 1 내지 26의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 22의 알킬기이거나, 탄소수 6 내지 50의 아릴기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기, 탄소수 6 내지 44의 아릴기, 탄소수 6 내지 38의 아릴기, 탄소수 6 내지 32의 아릴기, 탄소수 6 내지 26의 아릴기 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴기 일 수 있다.In one example, each of R 5 , R 6 and R ″ are independently 1 carbon atoms To 46 Alkyl group, 1 carbon To 42 Alkyl group, 1 carbon To 38 Alkyl group, 1 carbon To 34 Alkyl group, 1 carbon To 30 Alkyl group, 1 carbon To 26 Alkyl or C1 To 22 An alkyl group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 44 carbon atoms, an aryl group having 6 to 38 carbon atoms , An aryl group having 6 to 32 carbon atoms, an aryl group having 6 to 26 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms.

구체적인 예시에서, 상기 R5, R6 및 R"은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 26의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 32의 아릴기일 수 있다. In a specific example, each of R 5 , R 6 and R ″ may be independently an alkyl group having 1 to 26 carbon atoms or an aryl group having 6 to 32 carbon atoms.

또한, 상기 A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 및 A16는 각각 독립적으로 H, F, Cl, CN, -COOR", -OR", 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 50의 아릴기일 수 있다.In addition, the A 5 , A 6 , A 7 , A 8 , A 9 , A 10 , A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15 and A 16 are each independently H, F, Cl, CN, -COOR ", -OR", 1 carbon To 50 It may be an alkyl group or an aryl group having 6 to 50 carbon atoms.

하나의 예시에서, 상기 A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 및 A16는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 46의 알킬기, 탄소수 1 내지 42의 알킬기, 탄소수 1 내지 38의 알킬기, 탄소수 1 내지 34의 알킬기, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 1 내지 26의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 22의 알킬기이거나, 탄소수 6 내지 50의 아릴기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기, 탄소수 6 내지 44의 아릴기, 탄소수 6 내지 38의 아릴기, 탄소수 6 내지 32의 아릴기, 탄소수 6 내지 26의 아릴기 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴기 일 수 있다.In one example, A 5 , A 6 , A 7 , A 8 , A 9 , A 10 , A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15, and A 16 are each independently carbon number 1 To 46 Alkyl group, 1 carbon To 42 Alkyl group, 1 carbon To 38 Alkyl group, 1 carbon To 34 Alkyl group, 1 carbon To 30 Alkyl group, 1 carbon To 26 Alkyl or C1 To 22 An alkyl group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 44 carbon atoms, an aryl group having 6 to 38 carbon atoms , An aryl group having 6 to 32 carbon atoms, an aryl group having 6 to 26 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms.

구체적인 예시에서, 상기 A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 및 A16는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 26의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 32의 아릴기일 수 있다. In a specific example, A 5 , A 6 , A 7 , A 8 , A 9 , A 10 , A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15 and A 16 each independently represent an alkyl group having 1 to 26 carbon atoms. Or an aryl group having 6 to 32 carbon atoms.

한편, 상기 R5, R6, A5, A6, A7 및 A8은 본 발명에 따른 고분자의 친수 혹은 소수성 등의 물성을 결정할 수 있는 구성으로서, 적정 범위의 탄소수를 가지는 것이 바람직하다.On the other hand, R 5 , R 6 , A 5 , A 6 , A 7 and A 8 is a configuration that can determine the physical properties such as hydrophilicity or hydrophobicity of the polymer according to the present invention, it is preferable to have a suitable carbon number.

더 구체적인 예시에서, 상기 R5 및 R6는 각각 독랍적으로 탄소수 5 내지 14의 알킬기일 수 있다. 또한, 상기 A5, A6, A7 및 A8은 각각 독립적으로 탄소수 9 내지 22의 알킬기일 수 있다. 상기와 같은 범위 내에서, 목적하는 고분자의 물성 및 광 활성층에 적용되어 유기태양전지의 광 전환 효율을 증대시킬 수 있다.In a more specific example, R 5 and R 6 may each independently be an alkyl group having 5 to 14 carbon atoms. In addition, A 5 , A 6 , A 7 and A 8 may be each independently an alkyl group having 9 to 22 carbon atoms. Within the range as described above, it can be applied to the physical properties and the photoactive layer of the desired polymer to increase the light conversion efficiency of the organic solar cell.

한편, 하나의 예시에서, 상기 A11, A12, A13 및 A14중 어느 두 종은 서로 오쏘(ortho-) 또는 파라(para-)위치에 치환되며, 각각 독립적으로 F 또는 Cl일 수 있다. 바람직하게는, 상기 A11, A12, A13 및 A14중 어느 두 종이 파라(para-)위치에 치환된 F일 수 있다.Meanwhile, in one example, any two species of A 11 , A 12 , A 13, and A 14 may be substituted at an ortho- or para- position with each other, and each may be independently F or Cl. . Preferably, any one of A 11 , A 12 , A 13, and A 14 may be F substituted at a para- position.

상기 m은 1 내지 20의 정수이다. 더 구체적인 예시에서, 상기 m은 1 내지 16, 1 내지 14, 1 내지 12 또는 1 내지 10의 정수 일 수 있다. M is an integer of 1 to 20. In more specific examples, m may be an integer of 1 to 16, 1 to 14, 1 to 12, or 1 to 10.

상기 n은 1 내지 1,000의 정수이다. 더 구체적인 예시에서, 상기 n은 1 내지 800, 1 내지 700, 1 내지 600 또는 1 내지 500의 정수 일 수 있다. N is an integer of 1 to 1,000. In more specific examples, n may be an integer of 1 to 800, 1 to 700, 1 to 600 or 1 to 500.

상기와 같은 고분자는 가시광에 대한 우수한 광 흡수율을 나타낸다. Such polymers exhibit excellent light absorption to visible light.

하나의 예시에서, 상기 고분자는 300nm 내지 1,000nm의 파장 내 최대 흡광 파장에서의 흡광 계수가 1.5 x 105cm-1 이상 일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 고분자는 380nm 내지 1,000nm의 파장 내 최대 흡광 파장에서의 흡광 계수가 1.5 x 105cm-1 이상, 1.5 x 105cm-1 이상, 2 x 105cm-1 이상, 2.5 x 105cm-1 이상, 3 x 105cm-1 이상, 3.5 x 105cm-1 이상, 4 x 105cm-1 이상, 또는 4.5 x 105cm-1 이상 일 수 있다. 상기 380nm 내지 1,000nm의 파장 내 최대 흡광 파장에서의 흡광 계수의 상한값은, 예를 들면 5.0 x 105cm-1 이하 일 수 있다.In one example, the polymer may have an absorption coefficient at a maximum absorption wavelength within a wavelength of 300 nm to 1,000 nm of 1.5 × 10 5 cm −1 or more. In another example, the polymer is 380nm to an absorption coefficient at a wavelength within the maximum absorption wavelength of 1.5 x 10 5 cm -1 at least 1,000nm, 1.5 x 10 5 cm -1 or more, 2 x 10 5 cm -1 or more, 2.5 x 10 5 cm −1 or more, 3 × 10 5 cm −1 or more, 3.5 × 10 5 cm −1 or more, 4 × 10 5 cm −1 or more, or 4.5 × 10 5 cm −1 or more. The upper limit of the absorption coefficient at the maximum absorption wavelength within the wavelength of 380 nm to 1,000 nm may be, for example, 5.0 × 10 5 cm −1 or less.

본 발명의 상기 고분자는, 유기태양전지 내 광 활성층에 포함되어 전자 주개(electron donor) 화합물로서의 역할을 수행한다. 따라서, 상기 고분자는 적절한 에너지 레벨을 가질 수 있다.The polymer of the present invention is included in the photoactive layer in the organic solar cell and serves as an electron donor compound. Thus, the polymer may have an appropriate energy level.

하나의 예시에서, 상기 고분자는 HOMO 에너지 레벨이 -5.0eV 내지 -5.6eV의 범위 내에 있고, LUMO 에너지 레벨이 -3.4eV 내지 -4.0eV의 범위 내에 있을 수 있다. 상기와 같은 범위 내의 에너지 레벨을 가지는 고분자를 이용하는 경우, 광 활성층 내에서 용이한 엑시톤 분리 및 전하 이동이 이루어질 수 있다. In one example, the polymer may have a HOMO energy level in the range of -5.0 eV to -5.6 eV, and an LUMO energy level in the range of -3.4 eV to -4.0 eV. In the case of using a polymer having an energy level within the above range, easy exciton separation and charge transfer can be made in the photoactive layer.

상기 고분자는, 예를 들면 하기 화학식 1로 표시되는 6-메톡시-1,5-나프티리딘-2,6-다이온 화합물로부터 제조될 수 있다.The polymer may be prepared, for example, from a 6-methoxy-1,5-naphthyridine-2,6-dione compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112018017325416-pat00004
Figure 112018017325416-pat00004

더 구체적으로, 본 발명의 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 6-메톡시-1,5-나프티리딘-2(1H)-온 화합물의 스틸레 커플링 반응을 통해 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. More specifically, the polymer of the present invention may be prepared through a stille coupling reaction of the 6-methoxy-1,5-naphthyridin-2 (1H) -one compound represented by Chemical Formula 1, but is not limited thereto. It is not.

한편, 본 발명의 고분자는 6-메톡시-1,5-나프티리딘-2(1H)-온으로부터 제조될 수 있는 메톡시기가 치환되지 않은, 1,5-나프티리딘-2,6-다이온을 통해서도 제조될 수도 있다.On the other hand, the polymer of the present invention is 1,5-naphthyridine-2,6-dione unsubstituted methoxy group which can be prepared from 6-methoxy-1,5-naphthyridin-2 (1H) -one It may also be prepared through.

본 발명은 또한, 상기 고분자를 포함하는 유기태양전지에 대한 것이다. 상기 유기태양전지는 높은 단락 전류, 필 팩터(fill factor) 및 우수한 광 전환 효율을 가진다.The present invention also relates to an organic solar cell comprising the polymer. The organic solar cell has a high short circuit current, a fill factor and excellent light conversion efficiency.

본 발명의 유기태양전지는 서로 대향하여 배치되어 있는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 광 활성층을 포함하는 유기태양전지에 있어서, 상기 광 활성층은 하기 화학 구조식 1로 표시되는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The organic solar cell of the present invention includes a first electrode and a second electrode disposed to face each other, the organic solar cell comprising a photoactive layer positioned between the first and second electrodes, wherein the photoactive layer is It is characterized in that it comprises a polymer represented by the chemical formula 1.

[화학 구조식 1][Chemical Structural Formula 1]

Figure 112018017325416-pat00005
Figure 112018017325416-pat00005

상기 화학 구조식 1 에서,In Chemical Formula 1,

상기 X5, X6, X7 및 X8는 각각 독립적으로 O, S, Se, NH 또는 NR"이고,X 5 , X 6 , X 7 and X 8 are each independently O, S, Se, NH, or NR ″,

상기 R5 및 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,R 5 and R 6 are each independently carbon number 1 To 50 An alkyl group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or-(CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,

상기 A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 및 A16는 각각 독립적으로 H, F, Cl, CN, -COOR", -OR", 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 50의 아릴기이고, A 5 , A 6 , A 7 , A 8 , A 9 , A 10 , A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15 and A 16 are each independently H, F, Cl, CN, -COOR ", -OR", 1 carbon To 50 An alkyl group or an aryl group having 6 to 50 carbon atoms,

상기 R"는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,Each R ″ is independently an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or — (CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,

상기 m은 1 내지 20의 정수이고, M is an integer of 1 to 20,

상기 n은 1 내지 1,000의 정수이다.N is an integer of 1 to 1,000.

본 발명의 유기태양전지는 전술한 화학 구조식 1로 표시되는 고분자를 광 활성층 내 전자 주개(electron donor) 화합물로 포함하여, 높은 단락 전류, 필 팩터(fill factor) 및 우수한 광 전환 효율을 가질 수 있다.The organic solar cell of the present invention may include a polymer represented by Chemical Formula 1 as an electron donor compound in the photoactive layer, and thus may have a high short circuit current, a fill factor, and an excellent light conversion efficiency. .

특히, 상기 화학 구조식 1에서 벤젠고리를 도입함으로써 에너지 준위가 조절될 수 있다. 구체적으로, 벤젠고리가 도입되면 밴드갭(band gap)이 커지게 되는데 이는 HOMO준위가 더욱 낮아지고 LUMO준위가 더욱 높아지기 때문이다. 즉, 더욱 깊어진 HOMO준위로 인해 태양전지소자의 전압값(Voc)이 커지는 효과가 있다. In particular, the energy level may be adjusted by introducing a benzene ring in Chemical Formula 1. Specifically, when the benzene ring is introduced, the band gap becomes larger because the HOMO level is lower and the LUMO level is higher. That is, due to the deeper HOMO level, the voltage value Voc of the solar cell device is increased.

또한, 도입되는 벤젠고리에 전기음성도가 큰 원소, 예를 들어, 플루오린(fluorine, F)과 같은 원소가 치환될 수도 있다. 이로 인하여, HOMO준위와 LUMO준위가 추가적으로 낮아 질 수 있고, 태양전지소자의 전압값(Voc)은 더욱 커질 수 있다. 또한, 플루오린의 도입으로 인해 인접한 싸이오펜의의 황 원소와 플루오린-황(fluorine-sulfur) 분자 내 인력(intra-molecular interaction)이 작용하여 분자간 평면도(co-planarity)가 증가할 수 있다. 이에 따라, 고분자 주쇄간의 파이-파이 인력(π-π interaction)이 강화될 수 있다. In addition, an element having a high electronegativity, for example, an element such as fluorine (F) may be substituted with the benzene ring to be introduced. As a result, the HOMO level and the LUMO level may be further lowered, and the voltage value Voc of the solar cell device may be further increased. In addition, the introduction of fluorine may cause intra-molecular interaction of elemental sulfur and fluorine-sulfur molecules of adjacent thiophenes, thereby increasing co-planarity. Accordingly, pi-pi interaction between the polymer backbones can be enhanced.

플루오린(fluorine)은 전기음성도가 가장 큰 원소이기 때문에, 강한 쌍극자(dipole)을 형성할 수 있다. 강한 쌍극자(dipole)로 인해 쌍극자-쌍극자 인력(dipole-dipole interaction)이 형성되고 고분자 주쇄간의 인력이 더욱 강화될 수 있다. 이렇게 고분자 주쇄간의 강화된 인력은 고분자의 정공이동도(hole mobility)를 높힐 수 있고, 높아진 정공이동도로 인해 광 활성층의 두께가 두꺼워 지더라도 효과적인 정공의 이동이 가능하다. 따라서, 두꺼워진 광 활성층 두께로 인해 최대의 광흡수를 달성할 수 있어 유기태양전지의 효율을 10 % 수준으로 향상시키는 효과가 있다.Since fluorine is the element with the highest electronegativity, it can form a strong dipole. Strong dipoles can form dipole-dipole interactions and further enhance the attraction between the polymer backbones. The enhanced attraction between the polymer main chains can increase the hole mobility of the polymer, and even if the thickness of the photoactive layer becomes thick due to the increased hole mobility, effective hole movement is possible. Therefore, due to the thicker photoactive layer thickness, the maximum light absorption can be achieved, thereby improving the efficiency of the organic solar cell to a level of 10%.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학구조식 1로 표시되는 유기태양전지 광 활성층용 고분자는 결정립 정합 길이(Crystalline coherence length, CCL)가 18 Å 내지 30 Å의 범위를 가질 수 있다. 결정립 정합 길이(Crystalline coherence length, CCL)가 작을수록, 계면이 넓어지게 되고 계면에서 발생하는 전류가 증가하게 된다. 즉, 유기태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the polymer for an organic solar cell photoactive layer represented by Chemical Structural Formula 1 may have a crystal coherence length (CCL) of about 18 kV to about 30 kPa. The smaller the crystalline coherence length (CCL), the wider the interface and the greater the current generated at the interface. That is, there is an effect of improving the efficiency of the organic solar cell.

도 1은 본 발명에 따른 유기태양전지의 구조에 대한 일 모식도이다.1 is a schematic diagram of a structure of an organic solar cell according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기태양전지(1)는 서로 대향하여 배치되어 있는 제 1 전극(100) 및 제 2 전극(200)을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 전극(100,200) 사이에 위치하는 광 활성층(300)을 포함한다. 또한, 상기 광 활성층(300)은 상기 화학 구조식 1로 표시되는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 1, the organic solar cell 1 according to the present invention includes a first electrode 100 and a second electrode 200 disposed to face each other, and the first and second electrodes ( And a photoactive layer 300 positioned between 100 and 200. In addition, the photoactive layer 300 is characterized in that it comprises a polymer represented by the chemical formula (1).

본 발명에 따른 제 1 전극은, 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같이, 입사되는 태양광 방향에 위치할 수 있으며, 상기 제 2 전극은 상기 제 1 전극보다 상대적으로 입사되는 태양광 방향의 먼 쪽에 위치할 수 있다. The first electrode according to the present invention, for example, as shown in Figure 1, may be located in the incident sunlight direction, the second electrode is farther in the sunlight direction relatively incident than the first electrode. It can be located on the side.

하나의 예시에서, 제 1 전극은 투명 전극일 수 있다. 상기 제 1 전극의 종류는, 예를 들면 바나듐, 크롬, 구리, 아연 또는 금과 같은 금속이거나 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SnO2:Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; PEDOT:PSS, 폴리 피롤 또는 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In one example, the first electrode can be a transparent electrode. The first electrode may be, for example, a metal such as vanadium, chromium, copper, zinc, or gold or an alloy thereof; Metal oxides such as zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO); Combinations of metals and oxides such as ZnO: Al or SnO 2 : Sb; Conductive polymers such as PEDOT: PSS, polypyrrole or polyaniline may be exemplified, but is not limited thereto.

상기 제 1 전극은 예를 들면, 전술한 종류의 물질이 각각 개별층을 형성한 2 층 구조를 포함할 수 있다. The first electrode may include, for example, a two-layer structure in which the above-described materials are formed in respective layers.

구체적인 예시에서, 상기 제 1 전극은 입사되는 태양광의 방향에서 순차적으로 ITO층 및 PEDOT:PSS 전도성 고분자층으로 이루어진 것 일 수 있다. In a specific example, the first electrode may be made of an ITO layer and a PEDOT: PSS conductive polymer layer sequentially in the direction of incident sunlight.

상기 제 1 전극은, 또한 300nm 내지 700nm 파장의 광에 대한 투과도가 80% 이상 일 수 있다. 이와 같이 투명한 재질이면서 전도성이 우수한 재료의 것이 제 1 전극으로 이용될 수 있다. The first electrode may also have a transmittance of 80% or more for light having a wavelength of 300 nm to 700 nm. Thus, a transparent material and a material having excellent conductivity may be used as the first electrode.

상기 제 1 전극의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으나, 스퍼터링, E-빔, 열 증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이트 또는 그라비어 프린팅법 등 공지의 습식 및 건식 코팅 방법이 제한 없이 이용될 수 있다. The method of forming the first electrode is not particularly limited, but known wet and dry coating methods such as sputtering, E-beam, thermal evaporation, spin coating, screen printing, inkjet printing, doctor bleed or gravure printing, can be used without limitation. Can be.

상기 제 1 전극은, 예를 들면 기판 상에 형성될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 유기태양전지(1)는 기판(400)을 더 포함할 수 있다.The first electrode may be formed, for example, on a substrate. That is, as shown in FIG. 1, the organic solar cell 1 according to the present invention may further include a substrate 400.

즉, 본 발명에 따른 유기태양전지는 제 1 전극의 상기 광 활성층이 존재하는 면의 반대 면에 위치하는 기판을 더 포함할 수 있다. That is, the organic solar cell according to the present invention may further include a substrate positioned on a surface opposite to a surface on which the photoactive layer of the first electrode is present.

상기 기판은 투명성, 표면 평활성, 취급의 용이성 및 방수성 등을 고려하여 적절한 종류가 채택될 수 있다. The substrate may be appropriately selected in consideration of transparency, surface smoothness, ease of handling and waterproofness.

하나의 예시에서, 상기 기판은 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판 등이 예시될 수 있으며, 상기 플라스틱 기판은, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI) 또는 트리아세틸 셀룰로오스(TAC) 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In one example, the substrate may be a glass substrate or a transparent plastic substrate, for example, the plastic substrate, for example polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polypropylene (PP), poly Mead (PI) or triacetyl cellulose (TAC) and the like can be exemplified, but is not limited thereto.

본 발명의 유기태양전지는 상기 제 1 전극과 대향하여 배치되어 있는 제 2 전극을 포함한다. 상기 제 2 전극은, 예를 들면 금속 전극 일 수 있다.The organic solar cell of the present invention includes a second electrode disposed to face the first electrode. The second electrode may be, for example, a metal electrode.

상기 금속 전극은, 예를 들면 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금이나, LiF/Al, LiO2/Al, LiF/Fe, Al:Li, Al;BaF2 또는 Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. The metal electrode may be, for example, a metal such as magnesium, calcium, sodium, potassium, titanium, indium, yttrium, lithium, gadolinium, aluminum, silver, tin and lead, or an alloy thereof, or LiF / Al, LiO 2 / Al. , LiF / Fe, Al: Li, Al; BaF 2 or Al: BaF 2 may include a material having a multi-layer structure such as, but is not limited thereto.

구체적인 예시에서, 상기 제 2 전극은, 전술한 물질이 각에 개별적으로 존재하는 다층 구조 일 수 있다. In a specific example, the second electrode may be a multi-layered structure in which the above-described materials are individually present in each.

상기 제 2 전극은, 예를 들면 열 증착 등의 방식으로 증착되어 형성될 수 있다.The second electrode may be formed by depositing, for example, by thermal deposition.

본 발명의 유기태양전지는, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 위치하는 광 활성층을 포함한다. 상기 광 활성층은 상기 화학 구조식 1로 표시되는 고분자를 포함한다. 상기 화학 구조식 1로 표시되는 고분자는 전자 주개(electron-donor) 화합물로서의 역할을 수행한다.The organic solar cell of the present invention includes a photoactive layer positioned between the first electrode and the second electrode. The photoactive layer includes a polymer represented by Chemical Formula 1. The polymer represented by Chemical Structural Formula 1 serves as an electron donor compound.

한편, 본 발명에 따른 상기 광 활성층은 벌크 이중접합 구조를 가질 수 있다.Meanwhile, the photoactive layer according to the present invention may have a bulk double junction structure.

구체적으로, 상기 광 활성층은 전자 받개(electron-accepter) 화합물을 더 포함하는 벌크 이중 접합층(Bulk-heterojunction layer)일 수 있다. Specifically, the photoactive layer may be a bulk-heterojunction layer further comprising an electron-accepter compound.

상기 전자 받개(electron-accepter) 화합물은, 예를 들면 플러렌, 플러렌 유도체, 비플러렌 유기화합물, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 튜브 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The electron acceptor compound may be, for example, a fullerene, a fullerene derivative, a nonfullerene organic compound, a carbon nanotube, a carbon nanotube derivative, vasocuproin, a semiconducting element, a semiconducting compound, or a combination thereof. It may be any one selected from the group consisting of.

더 구체적인 예시에서, 상기 전자 받개(electron-accepter) 화합물은 플러렌 유도체로서 PCBM, PC71BM, PCBCR 등이 예시될 수 있고, 비플러렌 유기화합물로서 페릴렌, PBI, PTCBI, ITIC, IT-M, IT-4F, IT-OM, MeIC, ITCC, IDTBR, ATT-1 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In a more specific example, the electron acceptor compound may include PCBM, PC 71 BM, PCBCR, etc. as a fullerene derivative, and perylene, PBI, PTCBI, ITIC, IT-M, IT-4F, IT-OM, MeIC, ITCC, IDTBR, ATT-1 and the like can be exemplified, but is not limited thereto.

상기 광 활성층은, 예를 들면 전술한 화학 구조식 1로 표시되는 고분자와 전자 받개(electron-accepter) 화합물을 포함하는 혼합 용액의 습식 코팅 공정 등을 통해 형성될 수 있다. 상기와 같은 공정을 거쳐 광 활성층을 제조하는 경우, 전자 주개(electron-donor) 화합물로서 역할을 수행하는 화학 구조식 1로 표시되는 고분자와 전술한 전자 받개(electron-accepter) 화합물은 광 활성층 내에 서로 무작위적으로 섞여 있는 벌크 이중 접합 상태를 형성할 수 있다. The photoactive layer may be formed, for example, by a wet coating process of a mixed solution including a polymer represented by Chemical Formula 1 and an electron acceptor compound. When the photoactive layer is manufactured through the above process, the polymer represented by Chemical Structural Formula 1, which serves as an electron donor compound, and the aforementioned electron acceptor compound are randomly selected from each other in the photoactive layer. It is possible to form a mixed bulk double junction state.

상기 화학 구조식 1로 표시되는 고분자와 전자 받개(electron-accepter) 화합물은, 예를 들면 1:10 내지 10:1의 비율(w/w)로 광 활성층 내에 포함될 수 있다.The polymer and the electron acceptor compound represented by Chemical Formula 1 may be included in the photoactive layer, for example, in a ratio (w / w) of 1:10 to 10: 1.

본 발명의 유기태양전지는 광 활성층 내 상기 화학 구조식 1로 표시되고, 높은 평면성 및 우수한 결정성을 가지는 고분자를 포함함으로써, 우수한 정공 이동도(hole mobility)를 가질 수 있다. The organic solar cell of the present invention is represented by Chemical Formula 1 in the photoactive layer, and may include a polymer having high planarity and excellent crystallinity, thereby having excellent hole mobility.

하나의 예시에서, 상기 유기태양전지는 1 x 10-4 cm2 V-1 s-1 이상, 5 x 10-4 cm2 V-1 s-1 이상, 1 x 10-3 cm2 V-1 s-1 이상, 5 x 10-3 cm2 V-1 s-1 이상, 또는 1 x 10-2 cm2 V-1 s-1 이상의 정공 이동도(hole mobility)를 가질 수 있다. 상기 정공 이동도(hole mobility)의 상한값은, 예를 들면 5 x 10-2 cm2 V-1 s-1 이하 일 수 있다.In one example, the organic solar cell is 1 x 10 -4 cm 2 V -1 s -1 or more, 5 x 10 -4 cm 2 V -1 s -1 or more, 1 x 10 -3 cm 2 V -1 s -1 or more, 5 x 10 -3 cm 2 V -1 s -1 can have more, or 1 x 10 -2 cm 2 V -1 s -1 or more mobility of holes (hole mobility). The upper limit of the hole mobility may be, for example, 5 × 10 −2 cm 2 V −1 s −1 or less.

본 발명에 따른 유기태양전지는 광 활성층 내에 화학 구조식 1로 표시되는 고분자를 전자 주개(electron donor) 화합물로 포함시켜, 우수한 광 전환 효율을 가질 수 있다.The organic solar cell according to the present invention may have an excellent light conversion efficiency by including the polymer represented by Chemical Structural Formula 1 as an electron donor compound in the photoactive layer.

하나의 예시에서, 본 발명의 유기태양전지는 광 전환 효율(%)이 9% 이상 일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 유기태양전지는 광 전환 효율(%)이 9.5% 이상 또는 10% 이상 일 수 있다. In one example, the organic solar cell of the present invention may have a light conversion efficiency (%) of 9% or more. In another example, the organic solar cell may have a light conversion efficiency (%) of 9.5% or more or 10% or more.

이하, 본 발명에 따른 신규 고분자 화합물의 제조 및 이를 포함하는 유기태양전지에 대하여, 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명하나, 하기 예시는 본 발명에 따른 일례에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 제한하는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 자명하다.Hereinafter, the preparation of a novel polymer compound according to the present invention and an organic solar cell including the same will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely examples according to the present invention and limit the technical spirit of the present invention. It is obvious to those of ordinary skill in the art.

제조예 1. 1,5-나프티리딘-2,6-다이온 구조체 포함 신규 고분자의 합성[P(NTD4T-o-2FB)]Preparation Example 1 Synthesis of New Polymer Containing 1,5-naphthyridine-2,6-dione Structure [P (NTD4T-o-2FB)]

하기 합성 메커니즘 1에 따라 합성하여, 최종적으로 유기태양전지 광 활성층에서 전자 주개(electron-donor) 화합물로 역할을 수행하는 신규 고분자[P(NTD4T-o-2FB))를 합성하였다. Synthesis was carried out according to Synthesis Mechanism 1 below, and finally a new polymer (P (NTD4T-o-2FB)) serving as an electron donor compound in the organic solar cell photoactive layer was synthesized.

[합성 메커니즘 1]Synthesis Mechanism 1

Figure 112018017325416-pat00006
Figure 112018017325416-pat00006

상세합성 방법Detailed synthesis method

6-메톡시-1-옥틸-1,5-나프티리딘-2(1H)-온(6-methoxy-1-octyl-1,5-naphthyridin-2(1H)-one) (1)의 합성Synthesis of 6-methoxy-1-octyl-1,5-naphthyridin-2 (1H) -one (6-methoxy-1-octyl-1,5-naphthyridin-2 (1H) -one) (1)

6-메톡시-1,5-나프티리딘-2(1H)-온(6-methoxy-1,5-naphthyridin-2(1H)-one, 16 g, 90.8 mmol), 1-브로모옥탄(1-bromooctane, 30 g, 154 mmol) 및 세슘카보네이트(Cesium carbonate, 50g, 154 mmol)를 100 mL의 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide,DMSO) 용매에 녹이고 60°C 에서 교반하여 24시간 정도 둔다. 온도를 상온으로 내리고, 용매를 진공에서 제거한다. 그리고, 실리카겔 컬럼으로 정제하여 황토색 파우더를 얻는다. (7.8 g, yield = 30%) 6-methoxy-1,5-naphthyridin-2 (1H) -one (6-methoxy-1,5-naphthyridin-2 (1H) -one, 16 g, 90.8 mmol), 1-bromooctane (1 -bromooctane, 30 g, 154 mmol) and cesium carbonate (50 g, 154 mmol) are dissolved in 100 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO) solvent and stirred at 60 ° C for 24 hours. The temperature is lowered to room temperature and the solvent is removed in vacuo. Then, the silica gel column is purified to obtain an ocher powder. (7.8 g, yield = 30%)

1-옥틸-1,5-디하이드로-1,5-나프티리딘-2,6-다이온(1-octyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione) (2)의 합성 1-octyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione (1-octyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione) (2) Synthesis of

물질 (1) (7.8 g, 27 mmol)을 48 %의 HBr 수용액(60 mL)에 녹이고 80°C 에서 교반하여 4시간 둔다. 온도를 상온으로 내린 후, 침전물을 물로 씻어주면서 필터하고 이를 진공 건조하여 노란색 파우더를 얻는다. (7 g, yield = 95%) Material (1) (7.8 g, 27 mmol) is dissolved in 48% aqueous HBr solution (60 mL) and stirred at 80 ° C. for 4 hours. After the temperature is lowered to room temperature, the precipitate is filtered with washing with water and dried under vacuum to obtain a yellow powder. (7 g, yield = 95%)

1,5-디옥틸-1,5-디하이드로-1,5나프티리딘-2,6-다이온(1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione) (3)의 합성1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5naphthyridine-2,6-dione (1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione Synthesis of 3

물질 (2) (3.5 g, 12.7 mmol), 1-브로모옥탄(1-bromooctane, 7.4 g, 38 mmol) 및 세슘카보네이트(Cesium carbonate, 6.2 g, 19 mmol)를 50 mL의 톨루엔(Toluene)에 녹이고, 120°C 에서 교반하여 24시간 둔다. 온도를 상온으로 내린 후, 용매는 진공에서 제거하고, 실리카겔 컬럼으로 정제하여 노란색 파우더를 얻는다. (2 g, yield = 40%)Substance (2) (3.5 g, 12.7 mmol), 1-bromooctane (1-bromooctane, 7.4 g, 38 mmol) and cesium carbonate (6.2 g, 19 mmol) were added to 50 mL of toluene. Dissolve and stir at 120 ° C. for 24 hours. After the temperature is lowered to room temperature, the solvent is removed in vacuo and purified by silica gel column to obtain a yellow powder. (2 g, yield = 40%)

3,7-디브로모-1,5-디옥틸-1,5-디하이드로-1,5-나프티리딘-2,6-다이온(3,7-dibromo-1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione)의 합성 (4)3,7-dibromo-1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione (3,7-dibromo-1,5-dioctyl-1, Synthesis of 5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione) (4)

물질 (3) (2 g, 5.1 mmol)와 N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide, 2.5 g, 14.3 mmol) 를 아세트산(AA) (50 mL) 에 녹이고 90°C 에서 교반하여 24시간 둔다. 온도를 상온으로 내린 후 용매는 진공에서 제거하며, 실리카겔 컬럼으로 (MC:MeOH = 99:1, v/v) 노란색 파우더를 얻는다. (1.7 g, yield = 60%)Substance (3) (2 g, 5.1 mmol) and N-bromosuccinimide (2.5 g, 14.3 mmol) are dissolved in acetic acid (AA) (50 mL) and stirred at 90 ° C. for 24 hours. . After the temperature was lowered to room temperature, the solvent was removed in vacuo, and a silica gel column (MC: MeOH = 99: 1, v / v) gave a yellow powder. (1.7 g, yield = 60%)

3,7-비스(4-(2-데실테트라데실)싸이오펜-2-일)-1,5-디옥틸-1,5-디하이드로-1,5-나프티리딘-2,6-다이온(3,7-bis(4-(2-dectyltetradecyl)thiophen-2-yl)-1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione)의 합성 (5)3,7-bis (4- (2-decyltetedecyl) thiophen-2-yl) -1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione Synthesis of (3,7-bis (4- (2-dectyltetradecyl) thiophen-2-yl) -1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione) (2006.01)

물질 (4) (0.2 g, 0.36 mmol), 트리부틸(4-(2-옥틸도데실)싸이오펜-2-일)스탄난(tributyl(4-(2-octyldodecyl)thiophen-2-yl)stannane), 0.75 g, 1.10 mmol) 및 Pd(PPh3)4 (0.025 g, 0.02 mmol)를 디메틸포름아마이드(Dimethyl formaldehyde, DMF) 15 mL에 녹이고 130°C 에서 교반하여 24시간 둔다. 온도를 상온으로 내린 후 주황색 파우더를 메탄올(MeOH)로 씻어주면서 필터로 얻는다. 실리카겔 컬럼으로 정제하여 주황색 파우더를 얻는다. (0.30 g, yield = 75%)Substance (4) (0.2 g, 0.36 mmol), tributyl (4- (2-octyldodecyl) thiophen-2-yl) stannan (tributyl (4- (2-octyldodecyl) thiophen-2-yl) stannane ), 0.75 g, 1.10 mmol) and Pd (PPh 3 ) 4 (0.025 g, 0.02 mmol) are dissolved in 15 mL of dimethyl formaldehyde (DMF) and stirred at 130 ° C. for 24 hours. After the temperature is lowered to room temperature, the orange powder is washed with methanol (MeOH) to obtain a filter. Purification by silica gel column yields an orange powder. (0.30 g, yield = 75%)

3,7-비스(5-브로모-4-(2-데실테트라데실)싸이오펜-2-일)-1,5-디옥틸-1,5-디하이드로-1,5-나프티리딘-2,6-다이온(3,7-bis(5-bromo-4-(2-dectyltetradecyl)thiophen-2-yl)-1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2,6-dione)의 합성 (6)3,7-bis (5-bromo-4- (2-decyltetradecyl) thiophen-2-yl) -1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2 , 6-dione (3,7-bis (5-bromo-4- (2-dectyltetradecyl) thiophen-2-yl) -1,5-dioctyl-1,5-dihydro-1,5-naphthyridine-2, Synthesis of 6-dione) (6)

물질 (5) (0.30 g, 0.27 mmol) 와 N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide;0.09 g, 0.54 mmol)를 CHCl3 30 mL에 녹이고 상온에서 교반하여 24시간 둔다. 실리카겔 컬럼으로 (MC:MeOH = 99:1, v/v) 붉은색 파우더를 얻는다. (0.27 g, yield = 68%)Substance (5) (0.30 g, 0.27 mmol) and N-bromosuccinimide (N-bromosuccinimide; 0.09 g, 0.54 mmol) are dissolved in 30 mL of CHCl 3 and stirred at room temperature for 24 hours. Silica gel column (MC: MeOH = 99: 1, v / v) gives a red powder. (0.27 g, yield = 68%)

고분자 P(NTD4T-o-2FB)의 합성Synthesis of Polymer P (NTD4T-o-2FB)

고분자 P(NTD4T-o-2FB)는 스틸레(Stille) 커플링 반응을 통해 중합한다.Polymer P (NTD4T-o-2FB) polymerizes via a Stille coupling reaction.

물질 (6) (0.124 g, 0.09 mmol) 와 [(2,3'-디플루오로-1,4-페닐렌) 비스(싸이오펜-5,2-다이일)]비스(트리메틸스탄나)[((2,3'-difluoro-1,4-phenylene)bis(thiophene-5,2-diyl))bis(trimethylstannane)] (0.054 g, 0.09 mmol) 을 톨루엔 3 mL에 녹이고 질소 치환을 실시한다. 그 후에 촉매로 P(o-tol)3 (0.0025 g, 0.0083 mmol) 와 Pd2(dba)3 (0.0019 g, 0.0021 mmol)을 넣고 100°C 에서 48시간 동안 교반시킨다. 온도를 상온으로 내린 후 상기 반응용액을 메탄올(MeOH) 300 mL에 천천히 침전 시키고 생성된 고체를 필터링하여 걸러낸다. 걸러낸 고체는 속실렛추출(soxhlet extraction)을 통해 메탄올, 아세톤, n-헥산, CHCl3 순으로 정제한다. 내려온 액체를 다시 메탄올에 침전 시키고 필터를 통해 걸러낸 후 건조시켜 검은색 고체의 P(NTD4T-o-2FB)를 수득한다. (0.121 g, yield = 90%) Substance (6) (0.124 g, 0.09 mmol) and [(2,3'-difluoro-1,4-phenylene) bis (thiophen-5,2-diyl)] bis (trimethylstanna) [ Dissolve ((2,3'-difluoro-1,4-phenylene) bis (thiophene-5,2-diyl)) bis (trimethylstannane)] (0.054 g, 0.09 mmol) in 3 mL of toluene and carry out nitrogen substitution. Thereafter, P (o-tol) 3 (0.0025 g, 0.0083 mmol) and Pd 2 (dba) 3 (0.0019 g, 0.0021 mmol) were added as a catalyst and stirred at 100 ° C. for 48 hours. After the temperature was lowered to room temperature, the reaction solution was slowly precipitated in 300 mL of methanol (MeOH), and the resulting solid was filtered. The filtered solid is purified in the order of methanol, acetone, n-hexane and CHCl 3 by soxhlet extraction. The down liquid is precipitated in methanol again, filtered through a filter, and dried to obtain a black solid P (NTD4T-o-2FB). (0.121 g, yield = 90%)

제조예 2. 1,5-나프티리딘-2,6-다이온 구조체 포함 신규 고분자의 합성[P(NTD4T-p-2FB)]Preparation Example 2 Synthesis of New Polymer Containing 1,5-naphthyridine-2,6-dione Structure [P (NTD4T-p-2FB)]

하기 합성 메커니즘 2에 따라 합성하여, 최종적으로 유기태양전지 광 활성층에서 전자 주개(electron-donor) 화합물로 역할을 수행하는 신규 고분자[P(NTD4T-p-2FB))를 합성하였다. Synthesis was carried out according to Synthesis Mechanism 2 below, and finally a new polymer (P (NTD4T-p-2FB)) serving as an electron donor compound in the organic solar cell photoactive layer was synthesized.

[합성 메커니즘 2]Synthesis Mechanism 2

Figure 112018017325416-pat00007
Figure 112018017325416-pat00007

상세합성 방법Detailed synthesis method

상기 "제조예 1. 1,5-나프티리딘-2,6-다이온 구조체 포함 신규 고분자의 합성[P(NTD4T-o-2FB)]" 상세합성 방법에서, 물질 (1) 내지 (6)을 동일한 방법으로 합성하여, 최종적으로 물질 (6)의 붉은색 파우더를 얻는다. (0.27 g, yield = 68%)Of "Production Example 1. Synthesis of novel polymer including 1,5-naphthyridine-2,6-dione structure [P (NTD4T-o-2FB)]" In the detailed synthesis method, the materials (1) to (6) are synthesized in the same manner to finally obtain a red powder of the material (6). (0.27 g, yield = 68%)

고분자 P(NTD4T-p-2FB)의 합성Synthesis of Polymer P (NTD4T-p-2FB)

고분자 P(NTD4T-p-2FB)는 스틸레(Stille) 커플링 반응을 통해 중합한다.Polymer P (NTD4T-p-2FB) polymerizes via a Stille coupling reaction.

물질 (6) (0.124 g, 0.09 mmol) 와 [(2,5'-디플루오로-1,4-페닐렌) 비스(싸이오펜-5,2-다이일)]비스(트리메틸스탄나)[((2,5'-difluoro-1,4-phenylene)bis(thiophene-5,2-diyl))bis(trimethylstannane)] (0.054 g, 0.09 mmol) 을 톨루엔 3 mL에 녹이고 질소 치환을 실시한다. 그 후에 촉매로 P(o-tol)3 (0.0025 g, 0.0083 mmol) 와 Pd2(dba)3 (0.0019 g, 0.0021 mmol)을 넣고 100°C 에서 48시간 동안 교반시킨다. 온도를 상온으로 내린 후 상기 반응용액을 메탄올(MeOH) 300 mL에 천천히 침전 시키고 생성된 고체를 필터링하여 걸러낸다. 걸러낸 고체는 속실렛추출(soxhlet extraction)을 통해 메탄올, 아세톤, n-헥산, CHCl3 순으로 정제한다. 내려온 액체를 다시 메탄올에 침전 시키고 필터를 통해 걸러낸 후 건조시켜 검은색 고체의 P(NTD4T-p-2FB)를 수득한다. (0.125 g, yield = 93%) Substance (6) (0.124 g, 0.09 mmol) and [(2,5'-difluoro-1,4-phenylene) bis (thiophen-5,2-diyl)] bis (trimethylstanna) [ ((2,5'-difluoro-1,4-phenylene) bis (thiophene-5,2-diyl)) bis (trimethylstannane)] (0.054 g, 0.09 mmol) is dissolved in 3 mL of toluene and subjected to nitrogen substitution. Thereafter, P (o-tol) 3 (0.0025 g, 0.0083 mmol) and Pd 2 (dba) 3 (0.0019 g, 0.0021 mmol) were added as a catalyst and stirred at 100 ° C. for 48 hours. After the temperature was lowered to room temperature, the reaction solution was slowly precipitated in 300 mL of methanol (MeOH), and the resulting solid was filtered. The filtered solid is purified in the order of methanol, acetone, n-hexane and CHCl 3 by soxhlet extraction. The down liquid is precipitated again in methanol, filtered through a filter, and dried to give a black solid P (NTD4T-p-2FB). (0.125 g, yield = 93%)

하기의 [표 1]은 상기 제조예 1 및 2에 따라 제조된 1,5-나프티리딘-2,6-다이온 구조체를 포함하는 신규 고분자를 정리한 표이다.Table 1 below summarizes novel polymers including the 1,5-naphthyridine-2,6-dione structure prepared according to Preparation Examples 1 and 2.

[표 1]TABLE 1

Figure 112018017325416-pat00008
Figure 112018017325416-pat00008

실시예 유기태양전지 제작 및 특성 평가Example Fabrication and Characterization of Organic Solar Cell

광 활성층용 혼합 용액 제조Preparation of Mixed Solution for Photoactive Layer

상기 제조예 1 및 2에 따른 고분자[P(NTD4T-o-2FB), P(NTD4T-p-2FB)] 와 어셉터 물질로서는 PC71BM을 1:1.5 (w/w, 총 18mg/mL)의 비율로 혼합하여 혼합 용액을 제조하였다. As polymers [P (NTD4T-o-2FB), P (NTD4T-p-2FB)] and acceptor materials according to Preparation Examples 1 and 2, PC 71 BM was 1: 1.5 (w / w, 18 mg / mL in total). Mixed solution was prepared by mixing at the ratio of.

유기태양전지의 제작Fabrication of Organic Solar Cell

태양전지 소자는 ITO/PEDOT:PSS/광 활성층(PNTDT-2F2T:PC71BM)/Ca/Al의 구조로 제작되었다. 우선, 패턴된 ITO가 형성된 유리기판을 증류수, 아세톤, 아이소프로판올로 세척하고 UV-ozone 처리를 20분간 한다. 그 후, PEDOT:PSS 전도성 고분자 용액을 스핀코팅하여 30nm 내지 40nm 두께로 올리고 150°C 로 20분간 수분을 제거한다. 그 후, 상기 혼합 용액을 1500 rpm의 속도로 60초 동안 스핀코팅 하고 상온에서 1시간 동안 둔다. 마지막으로, Ca 5 nm 와 Al 100 nm 전극을 차례로 증착한다. 제조예 1 및 2를 포함하는 혼합 용액으로 제조된 유기태양전지를 각각 실시예 1 및 실시예 2로 정의한다.The solar cell device was manufactured in the structure of ITO / PEDOT: PSS / photoactive layer (PNTDT-2F2T: PC 71 BM) / Ca / Al. First, the glass substrate on which the patterned ITO is formed is washed with distilled water, acetone, and isopropanol and subjected to UV-zone treatment for 20 minutes. Then, spin-coated a PEDOT: PSS conductive polymer solution to a thickness of 30nm to 40nm and remove water at 150 ° C for 20 minutes. Thereafter, the mixed solution is spin coated at a speed of 1500 rpm for 60 seconds and left at room temperature for 1 hour. Finally, Ca 5 nm and Al 100 nm electrodes are deposited one after the other. An organic solar cell prepared from a mixed solution including Preparation Examples 1 and 2 is defined as Examples 1 and 2, respectively.

실험예 1. 흡광 계수 측정Experimental Example 1. Measurement of extinction coefficient

제조예 1에 따른 고분자 P(NTD4T-o-2FB)의 흡광 계수를 300nm 내지 1,000nm의 파장 범위에서 측정하였고, 그 결과를 도 2에 도시하였다.The extinction coefficient of the polymer P (NTD4T-o-2FB) according to Preparation Example 1 was measured in a wavelength range of 300 nm to 1,000 nm, and the results are shown in FIG. 2.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조예 1에 따른 고분자 P(NTD4T-o-2FB)는 최대 흡광 파장인 676nm 에서 1.76 x 105cm-1의 흡광 계수를 가지는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figure 2, it can be seen that the polymer P (NTD4T-o-2FB) according to Preparation Example 1 of the present invention has an absorption coefficient of 1.76 x 10 5 cm -1 at a maximum absorption wavelength of 676 nm.

그리고, 제조예 2에 따른 고분자 P(NTD4T-p-2FB)의 흡광 계수를 300nm 내지 1,000nm의 파장 범위에서 측정하였고, 그 결과를 도 3에 도시하였다.And the absorption coefficient of the polymer P (NTD4T-p-2FB) according to Preparation Example 2 was measured in the wavelength range of 300nm to 1,000nm, the results are shown in FIG.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조예 2에 따른 고분자 P(NTD4T-p-2FB)는 최대 흡광 파장인 671nm 에서 2.00 x 105cm-1의 흡광 계수를 가지는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figure 3, it can be seen that the polymer P (NTD4T-p-2FB) according to Preparation Example 2 of the present invention has an absorption coefficient of 2.00 x 10 5 cm -1 at 671 nm, which is the maximum absorption wavelength.

실험예 2. 순환 전압-전류법 (Cyclic Voltammetry) 분석 결과Experimental Example 2 Cyclic Voltammetry Analysis Results

제조예 1에 따른 고분자 P(NTD4T-o-2FB)의 에너지 레벨을 측정하기 위해 CV(Cyclic Voltammetry) 분석을 수행하였고 (도 4에 도시), 이를 통해 얻어진 상기 고분자의 HOMO 에너지 레벨과 LUMO 에너지 레벨은 [표 2]에 기재하였다. 이때, 광학 밴드 갭 에너지(eV)는 1.72 eV 이다.Cyclic Voltammetry (CV) analysis was performed to measure the energy level of the polymer P (NTD4T-o-2FB) according to Preparation Example 1 (shown in FIG. 4), and the HOMO energy level and LUMO energy level of the polymer obtained therefrom. Is shown in [Table 2]. At this time, the optical band gap energy (eV) is 1.72 eV.

그리고, 제조예 2에 따른 고분자 P(NTD4T-p-2FB)의 에너지 레벨을 측정하기 위해 CV(Cyclic Voltammetry) 분석을 수행하였고 (도 5에 도시), 이를 통해 얻어진 상기 고분자의 HOMO 에너지 레벨과 LUMO 에너지 레벨은 [표 2]에 기재하였다. 이때, 광학 밴드 갭 에너지(eV)는 1.67 eV 이다.Then, CV (Cyclic Voltammetry) analysis was performed to measure the energy level of the polymer P (NTD4T-p-2FB) according to Preparation Example 2 (shown in FIG. 5), and the HOMO energy level and LUMO of the polymer obtained therefrom. Energy levels are listed in Table 2. At this time, the optical band gap energy (eV) is 1.67 eV.

[표 2]TABLE 2

Figure 112018017325416-pat00009
Figure 112018017325416-pat00009

실험예 3. 표면 모폴로지 분석Experimental Example 3. Surface Morphology Analysis

실시예 1에 따른 유기태양전지 광 활성층의 표면 모폴로지를 분석하기 위하여, AFM 이미지를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 도시하였다.In order to analyze the surface morphology of the organic solar cell photoactive layer according to Example 1, AFM images were measured and the results are shown in FIG. 6.

도 6에 도시된 바와 같이, 광 활성층 내에 뚜렷한 바늘 형태의 고분자 결정 구조체(needle-like polymer crystal)를 확인할 수 있다.As shown in FIG. 6, a needle-like polymer crystal having a distinct needle shape in the photoactive layer may be identified.

그리고, 실시예 2에 따른 유기태양전지 광 활성층의 표면 모폴로지를 분석하기 위하여, AFM 이미지를 측정하였고, 그 결과를 도 7에 도시하였다.In addition, in order to analyze the surface morphology of the organic solar cell photoactive layer according to Example 2, an AFM image was measured and the results are shown in FIG. 7.

도 7에 도시된 바와 같이, 광 활성층 내에 뚜렷한 바늘 형태의 고분자 결정 구조체(needle-like polymer crystal)를 확인할 수 있다.As illustrated in FIG. 7, a needle-like polymer crystal having a distinct needle shape in the photoactive layer may be identified.

실험예 4. 정공이동도 분석Experimental Example 4. Hole mobility analysis

실시예 1에 따른 유기태양전지의 SCLC(space charge limited current)를 이용한 이동도를 측정하였고, 그 결과를 도 8에 도시하였다. 이를 통해 얻어진 유기태양전지의 정공 이동도와 전자 이동도를 하기의 [표 3]에 도시하였다.The mobility using the space charge limited current (SCLC) of the organic solar cell according to Example 1 was measured, and the results are shown in FIG. 8. Hole mobility and electron mobility of the organic solar cell thus obtained are shown in Table 3 below.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기태양전지 내 광 활성층의 정공 이동도(hole mobility)[도 8의 (a)에 도시]는 1.71 x 10-3cm2V-1s-1 이고, 전자 이동도(electron mobility)[도 8의 (b)에 도시]는 3.71 x 10-3cm2V-1s-1로 나타나, 우수한 정공 이동도 및 전자 이동도를 가짐을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 8, the hole mobility (shown in FIG. 8A) of the photoactive layer in the organic solar cell according to the present invention is 1.71 × 10 −3 cm 2 V −1 s −1 Electron mobility (shown in FIG. 8 (b)) is 3.71 × 10 −3 cm 2 V −1 s −1 , indicating that it has excellent hole mobility and electron mobility. .

그리고, 실시예 2에 따른 유기태양전지의 SCLC(space charge limited current)를 이용한 이동도를 측정하였고, 그 결과를 도 9에 도시하였다. 이를 통해 얻어진 유기태양전지의 정공이동도와 전자이동도를 하기의 [표 3]에 도시하였다.In addition, the mobility using the space charge limited current (SCLC) of the organic solar cell according to Example 2 was measured, and the results are shown in FIG. 9. Hole mobility and electron mobility of the organic solar cell thus obtained are shown in Table 3 below.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기태양전지 내 광 활성층의 정공 이동도(hole mobility)[도 9의 (a)에 도시]는 2.92 x 10-3cm2V-1s-1이고, 전자 이동도(electron mobility)[도 9의 (b)에 도시]는 2.09 x 10-3cm2V-1s-1로 나타나, 우수한 정공 이동도 및 전자 이동도를 가짐을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 9, the hole mobility (shown in FIG. 9A) of the photoactive layer in the organic solar cell according to the present invention is 2.92 × 10 −3 cm 2 V −1 s −1 Electron mobility (shown in FIG. 9 (b)) is 2.09 × 10 −3 cm 2 V −1 s −1 , indicating that it has excellent hole mobility and electron mobility. .

[표 3]TABLE 3

Figure 112018017325416-pat00010
Figure 112018017325416-pat00010

실험예 5. 유기태양전지의 성능 평가Experimental Example 5. Performance Evaluation of Organic Solar Cell

실시예 1에 따른 유기태양전지의 전류밀도-전압 특성(current density-Voltage (J-V)을 측정하여 도 10에 도시하였고, 그 효율은 하기 표 4에 나타내었다. The current density-voltage characteristic (J-V) of the organic solar cell according to Example 1 was measured and shown in FIG. 10, and the efficiency thereof is shown in Table 4 below.

그리고, 실시예 2에 따른 유기태양전지의 전류밀도-전압 특성(current density-Voltage (J-V)을 측정하여 도 11에 도시하였고, 그 효율은 하기 표 4에 나타내었다. In addition, the current density-voltage characteristics (J-V) of the organic solar cell according to Example 2 were measured and shown in FIG. 11, and the efficiency thereof is shown in Table 4 below.

[표 4]TABLE 4

Figure 112018017325416-pat00011
Figure 112018017325416-pat00011

실험예 6. Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray scattering(GIWAXS) 분석Experimental Example 6. Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray scattering (GIWAXS) analysis

이하에서는, 도 12를 참조하여, 실시예 1 및 2에 따른 고분자와 하기의 [화학 구조식 2]로 표시되는 고분자(이하, 비교예 1) 필름의 Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray scattering(GIWAXS) 분석 결과에 대하여 설명한다. 실시예 1 및 2와 비교예 1은 고분자 단위체 사슬에서, 플루오린(F)이 치환된 벤젠고리의 유무에 차이가 있다. Hereinafter, referring to FIG. 12, Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray scattering (GIWAXS) of the polymer according to Examples 1 and 2 and the polymer represented by the following [Chemical Structural Formula 2] (hereinafter, Comparative Example 1) film ) The results of the analysis are described. Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 has a difference in the presence or absence of a benzene ring substituted with fluorine (F) in the polymer unit chain.

[화학 구조식 2][Chemical Structural Formula 2]

Figure 112018017325416-pat00012
Figure 112018017325416-pat00012

Claims (12)

하기 화학 구조식 1로 표시되고,
하기 A11, A12, A13 및 A14중 어느 두 종은 각각 독립적으로 F 또는 Cl이되, 서로 오쏘(ortho-) 또는 파라(para-)위치에 치환된 유기태양전지 광 활성층용 고분자:
[화학 구조식 1]
Figure 112019025930968-pat00013

상기 화학 구조식 1 에서,
상기X5, X6, X7 및 X8는 각각 독립적으로 O, S, Se, NH 또는 NR"이고,
상기 R5 및 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,
상기 A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 및 A16는 각각 독립적으로 H, F, Cl, CN, -COOR", -OR", 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 50의 아릴기이고,
상기 R"는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 6 내지 50의 아릴기 또는 -(CH2CH2O)mCH3이고,
상기 m은 1 내지 20의 정수이고,
상기 n은 1 내지 1,000의 정수이다.
It is represented by the following chemical structural formula 1,
Any one of the following A 11 , A 12 , A 13 and A 14 is independently F or Cl, and the polymer for an organic solar cell photoactive layer substituted at an ortho- or para- position with each other:
[Chemical Structural Formula 1]
Figure 112019025930968-pat00013

In Chemical Formula 1,
X 5 , X 6 , X 7 and X 8 are each independently O, S, Se, NH, or NR ″,
R 5 and R 6 are each independently carbon number 1 To 50 An alkyl group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or-(CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,
A 5 , A 6 , A 7 , A 8 , A 9 , A 10 , A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15 and A 16 are each independently H, F, Cl, CN, -COOR ", -OR", 1 carbon To 50 An alkyl group or an aryl group having 6 to 50 carbon atoms,
Each R ″ is independently an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, or — (CH 2 CH 2 O) m CH 3 ,
M is an integer of 1 to 20,
N is an integer of 1 to 1,000.
제1항에 있어서,
상기 R5, R6, A5, A6, A7, A8 및 R"은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 26의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 32의 아릴기인, 유기태양전지 광 활성층용 고분자.
The method of claim 1,
The R 5 , R 6, A 5 , A 6 , A 7 , A 8 and R ″ are each independently an alkyl group having 1 to 26 carbon atoms or an aryl group having 6 to 32 carbon atoms, the polymer for an organic solar cell photoactive layer.
제1항에 있어서,
상기 R5 및 R6는 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 14의 알킬기인, 유기태양전지 광 활성층용 고분자.
The method of claim 1,
The R 5 and R 6 are each independently an alkyl group having 5 to 14 carbon atoms, the polymer for an organic solar cell photoactive layer.
제1항에 있어서,
상기 A5, A6, A7 및 A8는 각각 독립적으로 탄소수 9 내지 22의 알킬기인, 유기태양전지 광 활성층용 고분자.
The method of claim 1,
The A 5 , A 6 , A 7 and A 8 are each independently an alkyl group having 9 to 22 carbon atoms, the polymer for an organic solar cell photoactive layer.
삭제delete 제1항에 있어서,
300 nm 내지 1,000 nm 파장 내 최대 흡광 파장에서의 흡광 계수가 1.5 x 105cm-1 이상인 유기태양전지 광 활성층용 고분자.
The method of claim 1,
A polymer for an organic solar cell photoactive layer having an absorption coefficient at a maximum absorption wavelength within a wavelength of 300 nm to 1,000 nm of 1.5 × 10 5 cm −1 or more.
제1항에 있어서,
결정립 정합 길이(Crystalline coherence length, CCL)가 18 Å 내지 30 Å의 범위를 가지는, 유기태양전지 광 활성층용 고분자.
The method of claim 1,
Crystalline coherence length (CCL) has a range of 18 GPa to 30 GPa, the polymer for an organic solar cell photoactive layer.
서로 대향하여 배치되어 있는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 광 활성층을 포함하는 유기태양전지에 있어서,
상기 광 활성층은 제 1 항의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
A first electrode and a second electrode disposed to face each other;
In an organic solar cell comprising a photoactive layer positioned between the first and second electrodes,
The photoactive layer is an organic solar cell comprising the polymer of claim 1.
제8항에 있어서
상기 제 1 전극은 투명 전극이고, 제 2 전극은 금속 전극이며,
상기 제 1 전극의 상기 광 활성층이 존재하는 면의 반대 면에 위치하는 기판을 더 포함하는 유기태양전지.
The method of claim 8
The first electrode is a transparent electrode, the second electrode is a metal electrode,
The organic solar cell of claim 1, further comprising a substrate positioned on a surface opposite to a surface on which the photoactive layer is present.
제8항에 있어서,
상기 광 활성층은 전자 받개(electron-accepter) 화합물을 더 포함하는 벌크 이중 접합층(Bulk-hetrojuctionlayer)인 유기태양전지.
The method of claim 8,
The photoactive layer is an organic solar cell that is a bulk double-junction layer (Bulk-hetrojuctionlayer) further comprising an electron-accepter compound.
제10항에 있어서,
상기 전자 받개(electron-accepter) 화합물은, 플러렌, 플러렌 유도체, 비플러렌 유기화합물, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 튜브 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 유기태양전지.
The method of claim 10,
The electron acceptor compound is, in the group consisting of fullerene, fullerene derivative, non-fullerene organic compound, carbon nanotube, carbon nanotube derivative, vasocouproin, semiconducting element, semiconducting compound, and combinations thereof Organic solar cell is any one selected.
제8항에 있어서,
광 전환 효율(%)이 9% 이상인 유기태양전지.
The method of claim 8,
An organic solar cell having a light conversion efficiency (%) of 9% or more.
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