KR102389997B1 - 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지 - Google Patents

헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102389997B1
KR102389997B1 KR1020170091365A KR20170091365A KR102389997B1 KR 102389997 B1 KR102389997 B1 KR 102389997B1 KR 1020170091365 A KR1020170091365 A KR 1020170091365A KR 20170091365 A KR20170091365 A KR 20170091365A KR 102389997 B1 KR102389997 B1 KR 102389997B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
formula
group
same
solar cell
organic solar
Prior art date
Application number
KR1020170091365A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190009523A (ko
Inventor
김지훈
이지영
장송림
최두환
임보규
김연신
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020170091365A priority Critical patent/KR102389997B1/ko
Publication of KR20190009523A publication Critical patent/KR20190009523A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102389997B1 publication Critical patent/KR102389997B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D495/00—Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms
    • C07D495/02—Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms in which the condensed system contains two hetero rings
    • C07D495/04—Ortho-condensed systems
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D409/00—Heterocyclic compounds containing two or more hetero rings, at least one ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms
    • C07D409/14—Heterocyclic compounds containing two or more hetero rings, at least one ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms containing three or more hetero rings
    • H01L51/0036—
    • H01L51/0074—
    • H01L51/4253—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
    • H10K85/657—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons
    • H10K85/6576—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons comprising only sulfur in the heteroaromatic polycondensed ring system, e.g. benzothiophene
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L2031/0344—Organic materials
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

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

Abstract

본 명세서는 화학식 1로 표시되는 헤테로환 화합물 및 상기 헤테로환 화합물을 광활성층에 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.

Description

헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지 {HETEROCYCLIC COMPOUND AND ORGANIC SOLAR CELL COMPRISING THE SAME}
본 명세서는 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
유기 태양 전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나뉠 수 있는데, 종래 무기 태양 전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기 태양 전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요한데, 기존의 전자 받개(acceptor) 물질인 플러렌(fullerene)계 화합물은 가시광 영역에서 낮은 흡수율을 가지며 열적 안정성이 낮다는 등의 문제점이 있다.
이에 따라, 최근 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 전자 받개 물질로 사용한 유기 태양 전지의 예가 많이 발표되고 있으며, 특히 다양한 분자 설계 및 합성이 가능한 저분자 전자 받개 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Two-layer organic photovoltaic cell(C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1986)) Efficiencies via Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions(G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270, 1789. (1995))
본 명세서는 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 하기 화학식 1로 표시되는 헤테로환 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112017069121472-pat00001
상기 화학식 1에서,
Ar1 및 Ar2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 벤젠고리; 또는 S를 포함하는 헤테로고리이며,
R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 할로겐기이며,
n 및 m은 각각 0 내지 2의 정수이고,
n 및 m이 2인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하며,
Q는 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 것이고,
[화학식 2]
Figure 112017069121472-pat00002
[화학식 3]
Figure 112017069121472-pat00003
상기 화학식 2 및 3에서,
R3 내지 R14는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
L1 내지 L8은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 아릴렌기; 또는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기이며,
Figure 112017069121472-pat00004
는 상기 화학식 1에 결합되는 부위이다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는
제1 전극;
상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며,
상기 광활성층은 상기 화학식 1에 따른 헤테로환 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 헤테로환 화합물은 넓은 광 흡수 영역과 높은 LUMO 에너지 준위를 가지므로, 상기 헤테로환 화합물을 광활성층에 사용하였을 때, 높은 수준의 광-전 변환 효율을 갖는 유기 태양 전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따르는 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
도 2는 제조예 1 내지 3에서 합성된 화합물 1 내지 3의 필름 상태의 UV-vis 흡수 스펙트럼을 나타낸 도이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 화학식 1로 표시되는 헤테로환 화합물을 제공한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에 있어서, 에너지 준위는 에너지의 크기를 의미하는 것이다. 따라서, 진공준위로부터 마이너스(-) 방향으로 에너지 준위가 표시되는 경우에도, 에너지 준위는 해당 에너지 값의 절대값을 의미하는 것으로 해석된다. 예컨대, HOMO 에너지 준위란 진공준위로부터 최고 점유 분자 오비탈(highest occupied molecular orbital)까지의 거리를 의미한다. 또한, LUMO 에너지 준위란 진공준위로부터 최저 비점유 분자 오비탈(lowest unoccupied molecular orbital)까지의 거리를 의미한다.
상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 "치환"이라는 용어는 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자가 다른 치환기로 바뀌는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정하지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 알킬기; 시클로알킬기; 알콕시기; 아릴옥시기; 알케닐기; 아릴기; 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나 상기 예시된 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환기로 치환되거나, 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 할로겐기의 예로는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 50인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸-부틸, 1-에틸-부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 시클로펜틸메틸, 시클로헥실메틸, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸헥실, 4-메틸헥실 및 5-메틸헥실 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 구체적으로 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 3-메틸시클로펜틸, 2,3-디메틸시클로펜틸, 시클로헥실, 3-메틸시클로헥실, 4-메틸시클로헥실, 2,3-디메틸시클로헥실, 3,4,5-트리메틸시클로헥실, 4-tert-부틸시클로헥실, 시클로헵틸 및 시클로옥틸 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소프로폭시, i-프로필옥시, n-부톡시, 이소부톡시, tert-부톡시, sec-부톡시, n-펜틸옥시, 네오펜틸옥시, 이소펜틸옥시, n-헥실옥시, 3,3-디메틸부틸옥시, 2-에틸부틸옥시, n-옥틸옥시, n-노닐옥시, n-데실옥시, 벤질옥시 및 p-메틸벤질옥시 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 비닐, 1-프로페닐, 이소프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 1-펜테닐, 2-펜테닐, 3-펜테닐, 3-메틸-1-부테닐, 1,3-부타디에닐, 알릴, 1-페닐비닐-1-일, 2-페닐비닐-1-일, 2,2-디페닐비닐-1-일, 2-페닐-2-(나프틸-1-일)비닐-1-일, 2,2-비스(디페닐-1-일)비닐-1-일, 스틸베닐기 및 스티레닐기 등이 있으나 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 상기 아릴기가 단환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기 및 터페닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 상기 아릴기가 다환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나. 탄소수 10 내지 24인 것이 바람직하다. 구체적으로 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기 및 플루오레닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 플루오레닐기는 치환될 수 있으며, 인접한 치환기들이 서로 결합하여 고리를 형성할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴렌기는 아릴기에 결합 위치가 두 개 있는 것 즉, 2가기를 의미한다. 이들은 각각 2가기인 것을 제외하고는 전술한 아릴기의 설명이 적용될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 헤테로고리기는 탄소가 아닌 원자, 이종원자를 1 이상 포함하는 것으로서, 구체적으로 상기 이종 원자는 O, N, Se 및 S 등으로 이루어진 군에서 선택되는 원자를 1 이상 포함할 수 있다. 헤테로고리기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 피리다진기, 피라지닐기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린(phenanthroline)기, 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 티아디아졸릴기, 벤조티아졸릴기, 페노티아지닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴옥시기의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다. 구체적으로 아릴옥시기로는 페녹시, p-토릴옥시, m-토릴옥시, 3,5-디메틸-페녹시, 2,4,6-트리메틸페녹시, p-tert-부틸페녹시, 3-비페닐옥시, 4-비페닐옥시, 1-나프틸옥시, 2-나프틸옥시, 4-메틸-1-나프틸옥시, 5-메틸-2-나프틸옥시, 1-안트릴옥시, 2-안트릴옥시, 9-안트릴옥시, 1-페난트릴옥시, 3-페난트릴옥시 및 9-페난트릴옥시 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar1 및 Ar2는 각각 벤젠고리이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar1 및 Ar2는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 S를 포함하는 헤테로고리이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar1 및 Ar2는 각각 티오펜이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 및 X2는 각각 수소이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 할로겐기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 및 X2는 각각 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n 및 m은 0 또는 2 이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 n 및 m은 0이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 n 및 m은 2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Q는 상기 화학식 2로 표시되는 것이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 Q는 상기 화학식 3으로 표시되는 것이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 내지 1-4 중 어느 하나로 표시될 수 있다.
[화학식 1-1]
Figure 112017069121472-pat00005
[화학식 1-2]
Figure 112017069121472-pat00006
[화학식 1-3]
Figure 112017069121472-pat00007
[화학식 1-4]
Figure 112017069121472-pat00008
화학식 1-1 내지 1-4에서,
R1 내지 R14 및 L1 내지 L8은 상기 화학식 1 내지 3에서 정의한 바와 동일하고,
X3 내지 X10는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 할로겐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R1 내지 R14는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 30의 알킬기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R1 내지 R6 및 R9 내지 R12는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기이며, R7, R8, R13 및 R14는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, X3 내지 X10은 각각 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, X3 내지 X10은 서로 동일하거나 상이하며 각각 할로겐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, X3 내지 X10은 각각 불소이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, X3 내지 X6은 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 할로겐기이고, X7 내지 X10은 각각 수소이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, X3 내지 X6은 각각 불소이며, X7 내지 X10은 각각 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, L1 내지 L8은 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 25의 아릴렌기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, L1 내지 L8은 각각 페닐렌기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, L1 내지 L8은 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 2가의 헤테로고리기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, L1 내지 L8은 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 S를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 2가의 헤테로고리기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, L1 내지 L8는 각각 티오펜기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, L1 내지 L4는 각각 페닐렌기이며, L5 내지 L8은 각각 티오펜기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, L1 내지 L4는 각각 티오펜기이며, L5 내지 L8은 각각 페닐렌기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 하기 화학식 1-5 내지 1-12 중 어느 하나로 표시될 수 있다.
[화학식 1-5]
Figure 112017069121472-pat00009
[화학식 1-6]
Figure 112017069121472-pat00010
[화학식 1-7]
Figure 112017069121472-pat00011
[화학식 1-8]
Figure 112017069121472-pat00012
[화학식 1-9]
Figure 112017069121472-pat00013
[화학식 1-10]
Figure 112017069121472-pat00014
[화학식 1-11]
Figure 112017069121472-pat00015
[화학식 1-12]
Figure 112017069121472-pat00016
상기 화학식 1-5 내지 1-12에서,
R1 내지 R14는 상기 화학식 1 내지 3에서 정의한 바와 동일하고,
X3 내지 X10는 상기 화학식 1-1 내지 1-4에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화합물 중에서 선택될 수 있다.
Figure 112017069121472-pat00017
Figure 112017069121472-pat00018
Figure 112017069121472-pat00019
본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물은 후술하는 제조 방법으로 제조될 수 있다. 후술하는 제조예들에서는 대표적인 예시들을 기재하지만, 필요에 따라, 치환기를 추가하거나 제외할 수 있으며, 치환기의 위치를 변경할 수 있다. 또한, 당 기술분야에 알려져 있는 기술을 기초로, 출발물질, 반응물질 및 반응 조건 등을 변경할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 상기 헤테로환 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
상기 유기 태양 전지는 기판, 정공수송층 및/또는 전자수송층이 더 포함될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 캐소드이고,상기 제2 전극은 애노드이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 주개층을 통하여 애노드로 수송된다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 부가적인 유기물층을 더 포함할 수 있다. 상기 유기 태양 전지는 여러 기능을 동시에 갖는 유기물을 사용하여 유기물층의 수를 감소시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기 태양 전지는 캐소드, 광활성층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있고, 애노드, 광활성층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드, 정공수송층,광활성층, 전자수송층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 노멀(Normal)구조이다. 상기 노멀 구조는 기판 상에 애노드가 형성되는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 노멀 구조인 경우, 기판 상에 형성되는 제1 전극이 애노드일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 인버티드(Inverted) 구조이다. 상기 인버티드 구조는 기판 상에 캐소드가 형성되는 것을의미할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 인버티드 구조인 경우, 기판 상에 형성되는 제1 전극이 캐소드일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 탠덤(tandem)구조이다. 이 경우 상기 유기 태양 전지는 2 층 이상의 광활성층을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지는 광활성층이 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 버퍼층이 광활성층과 정공수송층 사이 또는 광활성층과 전자수송층 사이에 구비될 수 있다. 이때, 정공주입층이 애노드와 정공수송층 사이에 더 구비될 수 있다. 또한, 전자주입층이 캐소드와 전자수송층 사이에 더 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하며, 상기 전자 받개는 상기 헤테로환 화합물을 포함할 수 있다.
상기 헤테로환 화합물을 포함하는 전자 받개 물질은 π-스페이서의 치환을 통해 종래의 전자 받개 물질보다 향상된 성능을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 헤테로환 화합물을 유기 태양 전지의 전자 받개 물질로 사용할 경우, 파장대 조절을 가능하게 해주는 π-스페이서(π-spacer)로 종래의 티오펜(thiophene) 대신 티에노티오펜(thienothiophene)이 사용되어, 상기 유기 태양 전지가 보다 넓은 영역의 흡수 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 높은 단락전류밀도(short-circuit current density)를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, LUMO 에너지 레벨의 변화로 인하여 향상된 개방전압(open-circuit voltage)을 얻을 수 있고, 궁극적으로는 유기 태양 전지의 광-전 변환 효율을 높일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개는 당 기술 분야에서 적용되는 물질을 사용할 수 있으며, 예컨대, 폴리 3-헥실 티오펜(P3HT: poly 3-hexyl thiophene), PCDTBT(poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4'-7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-5,5-(4,7-bis(thiophene-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole)]), PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), PSiF-DBT(Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole]), PTB7-Th(Poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2-6-diyl)]) 및 PBDBT(poly(benzodithiophene-benzotriazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전자 주개와 상기 전자 받개의 질량비는 1:2 내지 2:1일 수 있으며, 바람직하게는 1:1.5 내지 1.5:1, 더욱 바람직하게는 1:1일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성할 수 있다.
벌크 헤테로 정션이란 광활성층에서 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 서로 섞여 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개는 p형 유기물층일 수 있고, 상기 전자 받개는 n형 유기물층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 첨가제의 분자량은 50g/mol 내지 300g/mol이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 첨가제의 끓는점은 30℃ 내지 300℃의 유기물이다.
본 명세서에서 유기물이란 탄소 원자를 적어도 1 이상 포함하는 물질을 의미한다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 첨가제는 1,8-다이이오도옥탄(DIO:1,8-diiodooctane), 1-클로로나프탈렌(1-CN:1-chloronaphthalene), 다이페닐에테르(DPE:diphenylether), 옥탄디티올(octane dithiol) 및 테트라브로모티오펜(tetrabromothiophene)으로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제 중에서 1 또는 2 종의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기 태양 전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다. 구체적으로 유리, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PI(polyimide) 또는 TAC(triacetyl cellulose) 등이 사용될 수 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극의 재료는 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SnO2:Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 또는 폴리(3-메틸싸이오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 사용될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용할 수 있다.
상기 애노드 전극을 기판 상에 형성하는 경우, 이는 세정, 수분제거 및 친수성 개질 과정을 거칠 수 있다.
예컨대, 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로필 알코올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음, 수분 제거를 위해 가열판에서 100℃ 내지 150℃에서 1분 내지 30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합 표면 전위를 광활성층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 개질 시 애노드 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다.
애노드 전극의 전 처리 기술로는 a) 평행 평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있다.
애노드 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 애노드 전극 또는 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이 때, 전 처리의 실질적인 효과를 극대화할 수 있다.
구체적인 예로서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용할 수 있다. 이 때, 초음파 세정 후 패터닝된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음, 챔버에 투입하고, UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV 광과 반응하여 발생하는 오존에 의하여 패터닝된 ITO 기판을 세정할 수 있다.
그러나, 본 명세서에 있어서의 패터닝된 ITO 기판의 표면 개질 방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
상기 캐소드 전극은 일함수가 작은 금속이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; 및 LiF/Al, LiO2/Al, LiF/Fe, Al:Li, Al:BaF2, Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 캐소드 전극은 5×10- 7torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 증착되어 형성될 수 있으나, 이 방법에만 한정되는 것은 아니다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 광활성층에서 분리된 전자와 정공을 전극으로 효율적으로 전달시키는 역할을 담당하며, 물질을 특별히 제한하지는 않는다.
상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)), 몰리브데늄 산화물(MoOx); 바나듐 산화물(V2O5); 니켈 산화물(NiO); 또는 텅스텐 산화물(WOx) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층 물질은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 8-히드록시퀴놀린의 금속착물; Alq3를 포함한 착물; Liq를 포함한 금속착물; LiF; Ca; 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 또는 세슘 카보네이트(Cs2CO3) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
광활성층은 전자공여체 및/또는 전자수용체와 같은 광활성 물질을 유기용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 또는 브러쉬 페인팅 등의 방법으로 형성할 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지는 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
< 제조예 1 : 화합물 1의 제조>
Figure 112017069121472-pat00020
(화합물 A) (화합물 B)
(1) 화합물 A의 제조
500mL 둥근 플라스크에 3-옥틸티에노[3,2-b]티오펜(3-octylthieno[3,2-b]thiophene) 10g과 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF) 200mL를 넣고 온도를 -78℃로 맞춘 후, n-부틸리튬(n-BuLi) 29.7 mL(1.5eq)를 천천히 주입하고 1시간 동안 동일 온도에서 교반하였다. 그 다음 테트라브로모메탄(tetrabromomethane) 19.7g(1.3eq)을 테트라하이드로퓨란 20mL에 녹여 천천히 주입한 후 12시간 동안 상온에서 교반하였다. 이후 증류수로 반응을 종료시키고, 에틸 아세테이트(ethyl acetate)를 이용하여 추출한 후, 컬럼크로마토그래피로 정제하는 과정을 통해 노란색 액체 형태의 화합물 A를 수득하였다. 제조된 화합물 A의 1H NMR 분석 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
(2) 화합물 B의 제조
500mL 둥근 플라스크에 2-브로모-6-옥틸티에노[3,2-b]티오펜(2-bromo-6-octylthieno[3,2-b]thiophene) 20g과 테트라하이드로퓨란 200mL를 넣고, 온도를 -78℃로 맞춘 후, 리튬 다이이소프로필아마이드(lithium diisopropylamide, LDA) 45.27mL(1.5eq)를 천천히 주입하고 1시간 동안 동일 온도에서 교반하였다. 그 다음 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 8.37g(1.8eq)을 천천히 주입한 후 12시간 동안 상온에서 교반하였다. 이후 증류수로 반응을 종료시키고, 에틸 아세테이트(ethyl acetate)를 이용하여 추출한 후, 컬럼크로마토그래피로 정제하는 과정을 통해 노란색 액체 형태의 화합물 B를 수득하였다. 제조된 화합물 B의 1H NMR 분석 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
(3) 화합물 C의 제조
Figure 112017069121472-pat00021
(화합물 C)
콘덴서가 장착된 250mL 둥근 플라스크에 (4,4,9,9-테트라키스(4-옥틸페닐)-4,9-디하이드로-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜-2,7-디일)비스(트리메틸스탄네인)((4,4,9,9-tetrakis(4-octylphenyl)-4,9-dihydro-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene-2,7-diyl)bis(trimethylstannane)) 2g과 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4) 0.09g(0.05eq)을 넣고 톨루엔(toluene) 100mL를 첨가하여 녹인 후 100℃로 온도를 맞추었다. 온도를 확인하고 상기 (2)에서 제조한 화합물 B를 톨루엔 10mL에 녹여 주입한 후 12시간 동안 환류시켰다. 이후 증류수로 반응을 종료시키고 클로로포름(CHCl3)을 이용하여 추출한 후, 컬럼크로마토그래피로 정제하여 주황색 고체 형태의 화합물 C를 수득하였다. 제조된 화합물 C의 1H NMR 분석 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
(4) 화합물 1의 제조
Figure 112017069121472-pat00022
(화합물 C) (화합물 1)
100mL 둥근 플라스크에 상기 (3)에서 제조한 화합물 C 100mg과 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일리덴)말로노니트릴(2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-ylidene)malononitrile) 123mg(10eq)을 넣고 클로로포름 50mL를 첨가하여 녹인 후, 피리딘(pyridine) 0.6mL를 주입하고 70℃에서 12시간 동안 환류시켰다. 이후 클로로포름을 이용해 추출하고 용매를 제거하여 화합물 1을 수득하였다. 제조된 화합물 1의 1H NMR 분석 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
< 제조예 2 : 화합물 2의 제조>
Figure 112017069121472-pat00023
(화합물 C) (화합물 2)
100mL 둥근 플라스크에 제조예 1-(3)에서 제조한 화합물 C 100mg과 2-(6-옥소-5,6-디하이드로-4H-사이클로펜타[b]티오펜-4-일리덴)말로노니트릴(2-(6-oxo-5,6-dihydro-4H-cyclopenta[b]thiophen-4-ylidene)malononitrile) 127mg(10eq)을 넣고 클로로포름 50mL를 첨가하여 녹인 후, 피리딘 0.6mL를 주입하고 70℃에서 12시간 동안 환류시켰다. 이후 클로로포름을 이용하여 추출한 후 용매를 제거하여 화합물 2를 수득하였다. 제조된 화합물 2의 1H NMR 분석 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
< 제조예 3 : 화합물 3의 제조>
Figure 112017069121472-pat00024
(화합물 C) (화합물 3)
100mL 둥근 플라스크에 제조예 1-(3)에서 제조한 화합물 C 100mg과 2-(5,6-디플루오로-3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일리덴)말로노니트릴(2-(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-ylidene)malononitrile) 146mg(10eq)을 넣고 클로로포름 50mL를 첨가하여 녹인 후, 피리딘 0.6mL를 주입하고 70℃에서 12시간 동안 환류시켰다. 이후 클로로포름을 이용해 추출한 후 용매를 제거하여 화합물 3을 수득하였다. 제조된 화합물 3의 1H NMR 분석 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
화합물 1H NMR (500MHz, CDCl3)
화합물 A 7.24 (s, 1H), 6.99 (s, 1H), 2.71 (t, 2H), 1.81 (m, 2H), 1.63 (m, 2H), 0.92 (t, 2H)
화합물 B 9.63 (s, 1H), 7.28 (s, 1H), 7.11 (s, 1H), 2.75 (t, 2H), 1.83 (m, 2H), 1.65 (m, 2H), 0.90 (t, 2H)
화합물 C 9.80 (s, 2H), 7.52 (s, 2H), 7.45 (s, 2H), 7.19 (s, 2H), 7.18 (d, 8H), 7.08 (d, 8H), 2.73 (t, 4H), 2.58 (t, 8H), 1.55-1.32 (m, 16H), 1.33 (m, 40H), 0.90 (t, 18H)
화합물 1 8.77 (s, 2H), 8.69 (d, 2H), 7.91 (d, 2H), 7.76 (m, 4H), 7.59 (s, 2H), 7.49 (s, 2H), 7.45 (s, 2H), 7.18 (d, 8H), 7.11 (d, 8H), 2.79 (t, 4H), 2.60 (t, 8H), 1.57-1.35 (m, 16H), 1.34-1.32 (m, 40H), 0.90 (t, 18H)
화합물 2 8.80 (s, 2H), 8.71 (d, 2H), 7.95 (d, 2H), 7.80 (m, 4H), 7.62 (s, 2H), 7.55 (s, 2H), 7.48 (s, 2H), 7.21 (d, 8H), 7.15 (d, 8H), 2.75 (t, 4H), 2.60 (t, 8H), 1.57-1.35 (m, 16H), 1.34-1.32 (m, 40H), 0.90 (t, 18H)
화합물 3 8.82 (s, 1H), 8.80 (s, 1H), 8.69 (s, 1H), 8.65 (s, 1H) 7.93 (d, 2H), 7.80 (m, 4H), 7.62 (s, 2H), 7.51 (s, 2H), 7.48 (s, 2H), 7.20 (d, 8H), 7.13 (d, 8H), 2.79 (t, 4H), 2.60 (t, 8H), 1.57-1.35 (m, 16H), 1.34-1.32 (m, 40H), 0.90 (t, 18H)
또한, 합성된 화합물 1 내지 3의 필름 상태의 UV-vis 흡수 스펙트럼을 도 2에 나타내었다.
< 실시예 및 비교예 : 유기 태양 전지의 제조>
실시예 1.
(1) 복합 용액의 제조
하기 화합물 PTB7-Th(Poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2-6-diyl)], Mn: 25,000g/mol, Solarmer 社)를 전자 주개 물질로, 상기 제조예에서 합성된 화합물 1을 전자 받개 물질로 하여 1:1의 질량비로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 4wt% 농도의 복합 용액(composite solution)을 제조하였다.
Figure 112017069121472-pat00025
(2) 유기 태양 전지의 제조
ITO가 1.5×1.5cm2의 바타입(bar type)으로 코팅된 유리 기판(11.5Ω/□)을 증류수, 아세톤 및 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리하여 제1 전극을 형성하였다.
상기 제1 전극 상에 ZnO 나노입자 용액(N-10, Nanograde Ltd, 2.5wt% in 1-butanol, 0.45㎛ PTFE에 필터링)을 4,000rpm으로 40초 동안 스핀-코팅(spin-coating)한 후, 80℃에서 10분간 열처리하여 남아있는 용매를 제거함으로써 전자수송층을 형성하였다.
이후, 상기 (1)에서 제조한 복합 용액을 상기 전자수송층 상에 70℃에서 900rpm으로 25초간 스핀-코팅하여 광활성층을 형성하고, 상기 광활성층 상에 MoO3를 0.2Å/s의 속도 및 10- 7torr 진공 하에서 10nm의 두께로 열 증착하여 정공수송층을 형성하였다.
이후 열 증착기 내부에서 Ag를 1Å/s의 속도에서 100nm 두께로 증착하여 제2 전극을 형성함으로써, 인버티드(inverted) 구조의 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 2.
상기 실시예 1에서 전자 받개 물질로 상기 제조예에서 합성된 화합물 2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 3.
상기 실시예 1에서 전자 받개 물질로 상기 제조예에서 합성된 화합물 3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
비교예 1.
상기 실시예 1에서 전자 주개 물질로 하기의 PBDB-T(poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene))-alt-(5,5-(1',3'-di-2-thienyl-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1',2'-c:4',5'-c']dithiophene-4,8-dione))]), Mn: 17,000 g/mol, Solarmer 社)를, 전자 받개 물질로 하기의 IEIC를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
Figure 112017069121472-pat00026
Figure 112017069121472-pat00027
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100mW/cm2 (AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
Spin-speed
(rpm)		 VOC
(V)		 JSC
(mA/cm2)		 FF η
(%)		 평균 η
(%)
실시예 1 900 0.802 12.131 0.585 5.69 5.68
0.797 12.049 0.591 5.67
1100 0.799 12.401 0.620 6.14 6.05
0.795 12.333 0.608 5.96
1300 0.804 12.171 0.639 6.25 6.14
0.801 12.017 0.626 6.02
실시예 2 2000 0.915 15.231 0.577 8.05 8.25
0.913 15.496 0.597 8.45
2500 0.918 15.300 0.594 8.35 8.44
0.913 15.300 0.610 8.52
3000 0.915 15.434 0.615 8.68 8.66
0.912 15.251 0.621 8.63
실시예 3 2000
 0.930 15.186 0.576 8.14 8.20
0.922 15.071 0.594 8.26
3000
 0.922 15.686 0.591 8.54 8.58
0.919 15.376 0.610 8.62
2500
 0.918 15.673 0.635 9.14 9.33
0.907 16.230 0.647 9.52
비교예 1 1000 0.874 6.998 0.350 2.14 2.33
0.869 7.141 0.406 2.52
1200 0.874 7.863 0.452 3.11 2.96
0.874 7.978 0.404 2.81
1400 0.881 7.969 0.426 2.99 3.04
0.866 7.893 0.451 3.08
1600 0.879 8.177 0.459 3.30 3.37
0.876 7.920 0.496 3.44
상기 표 2에서, 상기 Spin-speed는 전자수송층 상에 복합 용액을 스핀-코팅하여 광활성층을 형성할 때 장비의 회전 속도를, VOC는 개방전압을, JSC는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)을, η는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양 전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 충전율(Fill factor)은 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
상기 표 2의 결과를 살펴보면, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물 1 내지 3을 전자 받개로 사용한 실시예 1 내지 3의 유기 태양 전지는 종래의 화합물 IEIC를 전자 받개로 사용한 비교예 1의 유기 태양 전지 보다 개방 전압이 높고, 충전율 등의 소자 효율이 우수하며, 에너지 변환 효율이 우수한 것을 알 수 있다.
101: 제1 전극
102: 전자수송층
103: 광활성층
104: 정공수송층
105: 제2 전극

Claims (8)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 헤테로환 화합물:
    [화학식 1]
    Figure 112022029377837-pat00028

    상기 화학식 1에서,
    Ar1 및 Ar2는 벤젠고리이며,
    R1 및 R2는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
    X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 할로겐기이며,
    n 및 m은 각각 0 내지 2의 정수이고,
    n 및 m이 2인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하며,
    Q는 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 것이고,
    [화학식 2]
    Figure 112022029377837-pat00029

    [화학식 3]
    Figure 112022029377837-pat00030

    상기 화학식 2 및 3에서,
    R3 내지 R14는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
    L1 내지 L8은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 아릴렌기; 또는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기이며,
    Figure 112022029377837-pat00031
    는 상기 화학식 1에 결합되는 부위이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 및 1-2 중 어느 하나로 표시되는 것인 헤테로환 화합물:
    [화학식 1-1]
    Figure 112022029377837-pat00032

    [화학식 1-2]
    Figure 112022029377837-pat00033

    상기 화학식 1-1 및 1-2에서,
    R1 내지 R14 및 L1 내지 L8은 상기 화학식 1 내지 3에서 정의한 바와 동일하고,
    X3 내지 X6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 할로겐기이다.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 1-5, 1-6, 1-9 및 1-10 중 어느 하나로 표시되는 것인 헤테로환 화합물:
    [화학식 1-5]
    Figure 112022029377837-pat00036

    [화학식 1-6]
    Figure 112022029377837-pat00037

    [화학식 1-9]
    Figure 112022029377837-pat00040

    [화학식 1-10]
    Figure 112022029377837-pat00041

    상기 화학식 1-5, 1-6, 1-9 및 1-10에서,
    R1 내지 R14는 상기 화학식 1 내지 3에서 정의한 바와 동일하고,
    X3 내지 X6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 할로겐기이다.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화합물 중에서 선택되는 것인 헤테로환 화합물:
    Figure 112022029377837-pat00044

    Figure 112022029377837-pat00046
  5. 제1 전극;
    상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며,
    상기 광활성층은 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 따른 헤테로환 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하며,
    상기 전자 받개는 상기 헤테로환 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전자 주개 및 상기 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성하는 것인 유기 태양 전지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 전자 주개와 상기 전자 받개의 질량비는 1:2 내지 2:1인 것인 유기 태양 전지.
KR1020170091365A 2017-07-19 2017-07-19 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지 KR102389997B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170091365A KR102389997B1 (ko) 2017-07-19 2017-07-19 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170091365A KR102389997B1 (ko) 2017-07-19 2017-07-19 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190009523A KR20190009523A (ko) 2019-01-29
KR102389997B1 true KR102389997B1 (ko) 2022-04-22

Family

ID=65323072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170091365A KR102389997B1 (ko) 2017-07-19 2017-07-19 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102389997B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102639496B1 (ko) * 2019-04-09 2024-02-21 주식회사 엘지화학 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
CN110256460B (zh) * 2019-07-09 2021-06-15 湘潭大学 一种有机小分子受体材料及其制备方法和应用
CN115461884A (zh) * 2020-04-30 2022-12-09 富士胶片株式会社 光电转换元件、摄像元件、光传感器及化合物
CN113540359B (zh) * 2021-06-08 2023-10-17 中国科学院大学 一种自驱动的短波红外响应有机光电突触柔性器件及其应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014026244A1 (en) * 2012-08-17 2014-02-20 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Photoactive optoelectronic and transistor devices
CN106883247A (zh) * 2017-02-24 2017-06-23 武汉大学 基于噻吩并环戊二酮衍生物的a‑d‑a共轭分子及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014026244A1 (en) * 2012-08-17 2014-02-20 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Photoactive optoelectronic and transistor devices
CN106883247A (zh) * 2017-02-24 2017-06-23 武汉大学 基于噻吩并环戊二酮衍生物的a‑d‑a共轭分子及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190009523A (ko) 2019-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3473627B1 (en) Heterocyclic compound and organic electronic device comprising same
KR102491794B1 (ko) 중합체 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR102283124B1 (ko) 중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지
KR102389997B1 (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지
KR20180104398A (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR102639497B1 (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
EP3620458B1 (en) Heterocyclic compound and organic electronic device comprising same
KR102655911B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
KR102271481B1 (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR20190001335A (ko) 유기 태양 전지
KR102629144B1 (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR102471839B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
KR102491797B1 (ko) 중합체 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR102410122B1 (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지
KR102552045B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
KR102610463B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
KR102635061B1 (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR102639496B1 (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR20200119612A (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR102475970B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
KR102584574B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
KR20200087366A (ko) 중합체 및 이를 포함하는 유기 전자 소자

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant