KR102526084B1 - Organic photoconductive materials and Light conversion device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유기 광전도성 재료 및 이를 이용한 광변환 소자에 관한 것이다.The present invention relates to an organic photoconductive material and a photoconversion device using the same.
최근 유기 광전도성 재료는 폭 넓게 연구 개발되어, 다양한 전자 디바이스의 정공수송 재료로서 이용되고 있어, 광전변환 소자의 하나인 유기 계열의 태양전지 중에도 정공수송 재료를 필요로 하는 페로브스카이트형 태양전지가 있다.Recently, organic photoconductive materials have been widely researched and developed, and are used as hole transport materials for various electronic devices. Among organic solar cells, which are one of photoelectric conversion devices, perovskite type solar cells that require hole transport materials are there is.
페로브스카이트 태양전지는, 페로브스카이트 구조를 가지는 금속할라이드재료를 광흡수층에 이용한 태양전지이다. 이 페로브스카이트 태양전지는 용액 도포를 이용한 제조가 가능하여 제조 비용을 낮춤과 함께 곡면 상에도 형성 할 수가 있다.A perovskite solar cell is a solar cell using a metal halide material having a perovskite structure for a light absorption layer. This perovskite solar cell can be manufactured using solution coating, so it can be formed on a curved surface as well as lowering the manufacturing cost.
페로브스카이트 태양전지의 구조를 도 1 에 개략도로 표시한 것처럼 페로브스카이트층(6)의 상하에 정공수송층(7) 및 전자수송층(5)이 적층되어, 그 적층체를 전극(4, 8)가 겹친된 구조로 되어 있다. 페로브스카이트 태양전지의 구동 원리는, 먼저 페로브스카이트층(6)에 있어서 광흡수에 의한 정공 및 전자가 발생한다. 생성된 정공 및 전자는 각각 정공수송층(7) 및 전자수송층(5)으로 이동하여 각각의 층을 통하여 전극(4,8)까지 이동한다.As the structure of the perovskite solar cell is schematically shown in FIG. 1, a
이 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층에는, 정공수송성 화합물이 포함되어 있으며, 이 정공수송성 화합물로서 Spiro-OMeTAD(일본 공개특허 특개2017-502462호 공보)가 알려져 있다.The hole transport layer of this perovskite solar cell contains a hole transport compound, and Spiro-OMeTAD (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-502462) is known as this hole transport compound.
이러한 페로브스카이트 태양전지에 포함되는 정공수송재료(HTM, Hole-Transport Material)는 전하 추출 특성, 히스테리시스 특성 및 소자의 안정성 측면에서 중요한 역할을 한다.Hole-Transport Material (HTM) included in these perovskite solar cells plays an important role in terms of charge extraction characteristics, hysteresis characteristics, and device stability.
통상적으로 사용되는 정공수송재료는 spiro-OMeTAD(2,2',7,7′'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9'-spiro-bifluorene) 및 이의 유도체이다. 이러한 재료는 정공수송특성 및 전자 블록 특성을 고려하여 적절한 에너지 준위를 제공하며, 90° 꼬인 단단한 스파이로바이플루오렌 구조는 응집을 억제하면서 높은 열적 안정성을 제공한다. 그러나 spiro-MeTAD의 정공수송특성은 스피로바이플루오렌의 약한 전자주개 특성으로 인해 상대적으로 불충분하며, Spiro-OMeTAD는 비용이 상당히 고가로서 태양전지 제조에 들어가는 비용이 커지는 문제가 있으며, 저렴한 정공수송 화합물 (일본 특허특원 2020-537410호)도 알려져 있다.Commonly used hole transport materials are spiro-OMeTAD (2,2',7,7''-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9'-spiro-bifluorene) and its derivatives. These materials provide an appropriate energy level in consideration of hole transport characteristics and electron block characteristics, and the rigid spirobifluorene structure twisted at 90° provides high thermal stability while suppressing aggregation. However, the hole transport properties of spiro-MeTAD are relatively insufficient due to the weak electron donor property of spirobifluorene, and the cost of Spiro-OMeTAD is quite high, which increases the cost of manufacturing a solar cell and is a cheap hole transport compound. (Japanese Patent Application No. 2020-537410) is also known.
태양전지 디바이스의 안정성과 신뢰성(장기간 사용으로 인한 성능저하) 등의 과제가 충분히 해결되지 않아 이러한 과제를 해결 하기 위하여 유기 광전도성 재료 (정공수송 재료) 그 자체의 신뢰성 향상을 충분하게 실현하는 재료가 없는 것이 사실이기도 하다. 본 발명의 목적은, 신뢰성 향상을 충분하게 실현하는 유기 광전도성 재료, 이를 이용한 광전변환 소자의 하나인 페로브스카이트 태양전지를 제공하기 위함이며, 이를 위해서는 정공수송성능 향상 목적으로 분자구조 중에 도입된 공역계 확장에 필수인 2중 결합을 복소환(複素環) 내에 내포한 축합복소환 구조로 하여 유기분자의 안정화로 연결되어 광전변환 소자의 신뢰성 향상을 이루어내었다.Since problems such as stability and reliability of solar cell devices (deterioration in performance due to long-term use) have not been sufficiently solved, organic photoconductive materials (hole transport materials) that sufficiently improve their reliability are needed to solve these problems. It is also true that there is no An object of the present invention is to provide an organic photoconductive material that sufficiently improves reliability and a perovskite solar cell, which is one of photoelectric conversion devices using the same, and for this purpose, introduction into the molecular structure for the purpose of improving hole transport performance The condensed heterocyclic structure in which the double bonds essential for the expansion of the conjugated system are contained in the heterocycle leads to the stabilization of organic molecules, thereby improving the reliability of the photoelectric conversion device.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 유기 광전도성 재료는 하기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물을 포함한다.In order to solve the above problems, the organic photoconductive material of the present invention includes an amine compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
화학식 1에 있어서, Ar1은 비치환된 아릴렌기 또는 치환기를 가지는 아릴렌기(arylene group)를 포함하며, Ar2는 비치환된 축합복소환기 또는 치환기를 가지는 축합복소환기를 포함하고, Ar3 및 Ar4는 서로 같거나 다른 것으로서, 비치환된 아릴기(aryl group), 치환기를 가지는 아릴기, 비치환된 복소환기 또는 치환기를 가지는 복소환기를 포함하며, 상기 n은 2 내지 4의 정수이다.In Formula 1, Ar1 includes an unsubstituted arylene group or an arylene group having a substituent, Ar2 includes an unsubstituted condensed heterocyclic group or a condensed heterocyclic group having a substituent, and Ar3 and Ar4 are mutually As the same or different, it includes an unsubstituted aryl group, an aryl group having a substituent, an unsubstituted heterocyclic group, or a heterocyclic group having a substituent, wherein n is an integer of 2 to 4.
또한, 본 발명은 상기 유기 광전도성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층 형성 조성물을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a composition for forming a hole transport layer of a perovskite solar cell, characterized in that it comprises the organic photoconductive material.
또한, 본 발명은 상기 유기 광전도성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 광변환 소자에 관한 것으로서, OLED(Organic Ligtt-Emitting Diode) 소자, 정전기록소자, OSLD(Organic Semiinductor Laser Diode) 소자 또는 페로브스카이트 태양전지인 것을 특징으로 하는 광변환 소자를 제공하고자 한다.In addition, the present invention relates to a photoconversion device comprising the organic photoconductive material, which is an OLED (Organic Ligtt-Emitting Diode) device, an electrostatic cell device, an OSLD (Organic Semiinductor Laser Diode) device or a perovskite It is intended to provide a photoconversion device characterized in that it is a light solar cell.
본 발명의 유기 광전도성 재료는 저렴한 비용으로 제조가 가능하며, 높은 전하 이동도를 가지는 바, 정공수송물질로서 사용하기 적합하며 변환 효율이 높고, 장기 사용 신뢰성이 높은 페로브스카이트형 태양전지를 제공할 수 있다.The organic photoconductive material of the present invention can be manufactured at low cost and has high charge mobility, so it is suitable for use as a hole transport material, has high conversion efficiency, and provides a perovskite type solar cell with high long-term reliability can do.
또한, 상기 유기 광전도재료를 센서재료, OLED(OrganIc LIgtt-EmIttIng DIode) 소자, 정전기록소자 또는 OSLD(OrganIc SemcInductor Laser DIode) 소자 등에 사용하면 응답성이 뛰어난 디바이스를 제공할 수 있다.In addition, when the organic photoconductive material is used as a sensor material, an OrganIc LIgtt-EmIttIng DIode (OLED) device, an electrostatic lock device, or an OrganIc SemcInductor Laser DIode (OSLD) device, a device with excellent response can be provided.
도 1은 순형(順型) 페로브스카이트 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 역형(逆型) 페로브스카이트 태양전지의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a net perovskite solar cell.
2 is a schematic cross-sectional view of an inverted perovskite solar cell.
이하 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 유기 광전도성 재료는 하기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물을 포함한다.The organic photoconductive material of the present invention includes an amine compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
화학식 1에 있어서, Ar1은 비치환된 아릴렌기 또는 치환기를 가지는 아릴렌기(arylene group)를 포함하며, 바람직하게는 Ar1은 치환 또는 비치환기를 포함하는 1.4-페닐렌, 1,3-페닐렌, 1,2-페닐렌, 1.4-나프틸렌, 9,10-비스(크로로메틸)안트라센 등의 아릴렌기를 포함한다.In Formula 1, Ar1 includes an unsubstituted arylene group or an arylene group having a substituent, and preferably, Ar1 includes substituted or unsubstituted 1.4-phenylene, 1,3-phenylene, Arylene groups, such as 1,2-phenylene, 1.4-naphthylene, and 9,10-bis (chloromethyl) anthracene, are included.
화학식 1의 상기 Ar2는 비치환된 축합복소환기 또는 치환기를 가지는 축합복소환기(fused heterocyclic group)를 포함하고, 바람직하게는 2,5-벤조퓨란, N-2,5-인돌, 2,5-티오나프틴 등의 축합복소환기를 포함할 수 있다.Ar2 in Formula 1 includes an unsubstituted fused heterocyclic group or a fused heterocyclic group having a substituent, and is preferably 2,5-benzofuran, N-2,5-indole, 2,5- Condensed heterocyclic groups such as thionaphthine may be included.
화학식 1의 Ar3 및 Ar4는 서로 같거나 다른 것으로서, 비치환된 아릴기(aryl group), 치환기를 가지는 아릴기, 비치환된 복소환기 또는 치환기를 가지는 복소환기를 포함하며, 바람직하게는 Ar3 및 Ar4는 서로 같거나 다른 것으로서, p-메톡시페닐, p-티오메톡시페닐, p-디메틸아미노페닐등의 아릴기, 5-메틸시프란, 5-메틸시티오펜, N-메틸5-메티오티오펜등의 복소환기를 포함할 수 있다.Ar3 and Ar4 in Formula 1 are the same as or different from each other, and include an unsubstituted aryl group, an aryl group having a substituent, an unsubstituted heterocyclic group, or a heterocyclic group having a substituent, and preferably Ar3 and Ar4 Are the same as or different from each other, aryl groups such as p-methoxyphenyl, p-thiomethoxyphenyl, p-dimethylaminophenyl, 5-methylciprane, 5-methylthiophene, N-methyl5-methiothiophene It may include a heterocyclic group such as.
그리고, 화학식 1의 상기 n은 2 내지 4의 정수이다.In Formula 1, n is an integer of 2 to 4.
본 발명의 유기 광전도성 재료인 상기 화학식 1로 표시된 아민 화합물은 높은 전하 이동도를 가진다. 이같이 높은 전하 이동도를 가지는 상기 본 발명의 유기 광전도성 재료를 정공수송물질, 즉 정공수송층 형성 조성물로 사용함으로써, 변환효율을 높이고 장기간의 사용 신뢰성을 확보한 페로브스카이트형 태양전지를 실현할 수가 있다.The amine compound represented by Chemical Formula 1, which is the organic photoconductive material of the present invention, has high charge mobility. By using the organic photoconductive material of the present invention having such a high charge mobility as a hole transport material, that is, a hole transport layer forming composition, a perovskite solar cell with high conversion efficiency and long-term reliability can be realized. .
본 발명의 유기 광전도성 재료의 바람직한 일례를 들면, 상기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 아민 화합물일 수 있다.For a preferred example of the organic photoconductive material of the present invention, the amine compound represented by Chemical Formula 1 may be an amine compound represented by Chemical Formula 2 below.
[화학식 2][Formula 2]
화학식 2에 있어서, Y는 -O-, -S-, -NH-, 또는 알릴기 또는 알킬기의 치환기를 가지는 질소 원자를 포함하고, 바람직하게는 상기 Y는 -O-, -S- 또는 -NH-일 수 있고, 더욱 바람직하게는 -O-일 수 있다. 그리고, 화학식 2의 Ar1, Ar3, Ar4 및 n 각각은 화학식 1에서 정의한 것과 동일하다.In
또한, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 아민 화합물을 포함하는 유기 광전도성 재료에 있어서, 아민 화합물의 바람직한 일 구현예를 들면, 하기 그림 1 ~ 그림 8에 나타낸 바와 같다.In addition, in the organic photoconductive material including the amine compound represented by Chemical Formula 1 of the present invention, a preferred embodiment of the amine compound is as shown in Figures 1 to 8 below.
[그림 1][Figure 1]
[그림 2][Figure 2]
[그림 3][Figure 3]
[그림 4][Figure 4]
[그림 5][Figure 5]
[그림 6][Figure 6]
[그림 7][Figure 7]
[그림 8][Figure 8]
그림 1 ~ 그림 8(화합물 1 ~ 70)에 표시된 예시 화합물 중에서도 광전변환율의 관점에서 Ar1이 1,2 페닐렌기이고, Ar2가 2,5-벤조푸란이고, Ar3. Ar4가 같이 동일한 p-메톡시페닐기 또는 p-메틸티오페닐 또는 p-디메틸아민페닐기인 화합물이 적합하고, Ar1이 1,4나프틸렌기이고, Ar2가 2,5-벤조푸란기이고, Ar3, Ar4이 서로 동일한 p-메톡시페닐기, p-메틸티오페닐기, 또는 p-디메틸아민페닐기인 화합물이 더욱 적합하고, Ar1가 1,2,4,5-페닐기이고, Ar2가 2,5-벤조푸란기이고, Ar3, Ar4이 서로 동일한 p-메톡시페닐기 또는 p-메틸티오페닐기 또는 p-디메틸아민페닐기에 있는 화합물이 더욱 적합하다.Among the exemplary compounds shown in Figures 1 to 8 (Compounds 1 to 70), Ar1 is a 1,2 phenylene group, Ar2 is a 2,5-benzofuran, and Ar3. Compounds in which Ar4 is the same p-methoxyphenyl group or p-methylthiophenyl or p-dimethylaminephenyl group are suitable, Ar1 is a 1,4-naphthylene group, Ar2 is a 2,5-benzofuran group, Ar3, More suitable are compounds in which Ar4 is the same p-methoxyphenyl group, p-methylthiophenyl group, or p-dimethylaminephenyl group, Ar1 is a 1,2,4,5-phenyl group, and Ar2 is 2,5-benzofuran. group, and a compound in which Ar3 and Ar4 are identical to each other is a p-methoxyphenyl group, a p-methylthiophenyl group, or a p-dimethylaminephenyl group.
상기 화합물 1 ~ 화합물 70 중 화합물 1은 하기 화학식 3으로 표시되는 아민 화합물이다.Among the compounds 1 to 70, compound 1 is an amine compound represented by Formula 3 below.
[화학식 3][Formula 3]
본 발명의 유기 광전도성 재료인 상기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물은 다음과 같은 방법으로 합성할 수 있다.The amine compound represented by Chemical Formula 1, which is the organic photoconductive material of the present invention, can be synthesized by the following method.
먼저, 하기 화학식 4로 표시되는 니트로기, 알데히드기, 수산화기가 치환한 아릴렌 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 아릴렌 화합물과의 하기 반응식 1에 따른 에테르화 반응을 수행하여, 하기 화학식 6으로 표시되는 에테르 중간체를 제조한다.First, an etherification reaction according to the following Reaction Scheme 1 is performed with an arylene compound represented by the following Chemical Formula 4, wherein a nitro group, an aldehyde group, and a hydroxyl group are substituted, and an arylene compound represented by the following
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Formula 5]
화학식 5의 Ar2는 화학식 1에서 정의한 바와 동일하며, X는 -Cl, -Br 또는 -I이며, n은 2 내지 4의 정수이다.Ar2 in Formula 5 is the same as defined in Formula 1, X is -Cl, -Br or -I, and n is an integer from 2 to 4.
[화학식 6][Formula 6]
화학식 6의 Ar1, Ar2 및 n은 상기 화학식 1에서 정의한 것과 동일하다.Ar1, Ar2 and n in
[반응식 1][Scheme 1]
반응식 1의 에테르화 반응은, 예를 들면 이하와 같이 수행한다. 상기 화학식 4로 표시되는 아릴렌 화합물(제1아릴렌 화합물)과 상기 화학식 5로 표시되는 아릴렌 화합물(제2아릴렌 화합물)을 용제 중에서 에테르화 반응시킨다.The etherification reaction of Scheme 1 is carried out, for example, as follows. The arylene compound (first arylene compound) represented by Chemical Formula 4 and the arylene compound (second arylene compound) represented by Chemical Formula 5 are etherified in a solvent.
이때, 화학식 5에서 n이 2인 경우에는 제1아릴렌 화합물 및 제2아릴렌 화합물을 1 : 2.0 ~ 2.4의 몰비로 반응시키고, 화학식 5에서 n이 3인 경우에는 제1아릴렌 화합물 및 제2아릴렌 화합물을 1 : 3.0 ~ 3.6의 몰비로 반응시키며, 화학식 5에서 n이 4인 경우에는 제1아릴렌 화합물 및 제2아릴렌 화합물을 1 : 4.0 ~ 4.8의 몰비로 반응시킨다.At this time, when n is 2 in
그리고, 상기 에테르 반응에 사용되는 용제로는 테트라히드로푸란, 1,4-디옥시산, 에틸렌글리콜, 메틸에테르, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 등을 들 수가 있다. 또한, 유기아민 베이스로는, 트리에틸아민, N,N'-디이소프로필에틸아민, 1,5-디아자바이사이클로[4.3.0]-5-노넨(1,5-Diazabicyclo[4.3.0]-5-nonene), 1,8- 디아자바이사이클로 [5.4.0]운데카-7-엔 (1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undeca-7-ene) 등을 들 수가 있다.Examples of solvents used in the ether reaction include tetrahydrofuran, 1,4-dioxic acid, ethylene glycol, methyl ether, N,N-dimethylformamide, and N,N-dimethylacetamide. In addition, as the organic amine base, triethylamine, N,N'-diisopropylethylamine, 1,5-diazabicyclo[4.3.0]-5-nonene (1,5-Diazabicyclo[4.3.0] -5-nonene), 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undeca-7-ene, and the like.
또는, 단계적으로 상기 화학식 5로 표시되는 니트로 화합물(에테르 중간체)을 합성해도 좋다.Alternatively, the nitro compound (ether intermediate) represented by
즉, 상기 제1아릴렌 화합물과 상기 제2아릴렌 화합물(n이 2인 경우)를 1:1 ~ 2.4 몰비로, 상기 제1아릴렌 화합물과 상기 제2아릴렌 화합물(n이 3인 경우)를, 1:1 ~ 3.6 몰비로, 상기 제1아릴렌 화합물과 상기 제2아릴렌 화합물(n이 4인 경우)를, 1:1 ~ 4.8의 몰비로 가열하고 반응식 2에 따른 에테르 반응을 수행하여 중간체인 화학식 6으로 표시되는 니트로 화합물(에테르 중간체)를 일단 단리한다.That is, the first arylene compound and the second arylene compound (when n is 2) are mixed in a molar ratio of 1:1 to 2.4, and the first arylene compound and the second arylene compound (when n is 3) ), in a molar ratio of 1: 1 to 3.6, the first arylene compound and the second arylene compound (when n is 4) are heated in a molar ratio of 1: 1 to 4.8, and the ether reaction according to
[화학식 7][Formula 7]
화학식 7의 Ar1, Ar2 및 n은 상기 화학식 1에서 정의한 것과 동일하다.Ar1, Ar2 and n in
[반응식 2][Scheme 2]
반응식 2의 Ar1, Ar2는 상기 화학식 1에서 정의한 것과 동일하다.Ar1 and Ar2 in
다음으로, 하기 화학식 7로 표시된 에테르체를 용제 중에서 유기아민베이스 에테르체에 대하여 n이 2의 경우, 1:1~2.4의 몰비로, n이 3인 경우, 1:1 ~ 3.6의 몰비로, n이 4인 경우, 1:1 ~ 4.8의 몰비로 가열하여 상기 화학식 7로 표시된 니트로 화합물을 합성해도 좋다.Next, the ether represented by
다음으로, 상기 화학식 6으로 표시된 니트로 화합물을 혼합용제 중에서 100~200 메쉬의 철분을 화학식 6의 n이 2인 경우에는 1:20~40의 몰비에서, 화학식 6의 n이 3인 경우에는 1:40~50의 몰비로, 화학식 6의 n이 4의 경우에는 1:60~70의 몰비로 더하여 가열, 교반하는 환원반응으로 하기 일반식(VII)에서 표시된 일반 아민 화합물을 합성 할 수 있다. 여기서 사용하는 혼합용제로서는 테트라히드로푸란과 물, 1,4-디옥시산과 물 등을 들 수가 있다.Next, the nitro compound represented by
[화학식 8][Formula 8]
화학식 8의 Ar1, Ar2, n은 상기 화학식 1에서 정의한 것과 동일하다.Ar1, Ar2, and n in Formula 8 are the same as those defined in Formula 1 above.
[반응식 3][Scheme 3]
반응식 2의 Ar1, Ar2 및 n은 상기 화학식 1에서 정의한 것과 동일하다.Ar1, Ar2 and n in
더욱이, 상기 화학식 8에서 표시된 일급아민 화합물을 하기 화학식 9 또는 화학식 10에서 표시된 할로겐기를 함유하는 치환기를 가져도 되는 아릴 화합물, 또는 할로겐기를 함유하는 치환기를 가져도 되는 복소환화합물을 n이 2의 경우, 1:2.4 ~ 2.6의 몰비로, n이 3의 경우, 1:3.6 ~ 3.9의 몰비로, n이 4의 경우, 1:4.8 ~ 5.1의 몰비로, Pd 커플링 반응을 하여 상기 화학식 1로 표시되는 본 발명의 유기 광전도성 재료인 아민 화합물을 고수율로 얻을 수 있다(하기 반응식 4 참조).Further, the primary amine compound represented by Formula 8 is an aryl compound which may have a substituent containing a halogen group represented by Formula 9 or Formula 10 below, or a heterocyclic compound which may have a substituent containing a halogen group when n is 2 , 1: at a molar ratio of 2.4 to 2.6, when n is 3, at a molar ratio of 1: 3.6 to 3.9, when n is 4, at a molar ratio of 1: 4.8 to 5.1, Pd coupling reaction to formula (1) The amine compound, which is the organic photoconductive material of the present invention, can be obtained in high yield (see Scheme 4 below).
[화학식 9][Formula 9]
화학식 9의 Ar3은 상기 화학식 1에서 정의한 것과 동일하며, X는 -Cl, -Br 또는 -I이다.Ar3 in Formula 9 is the same as defined in Formula 1 above, and X is -Cl, -Br or -I.
[화학식 10][Formula 10]
화학식 10의 Ar4는 상기 화학식 1에서 정의한 것과 동일하며, X는 -Cl, -Br 또는 -I이다.Ar4 in Formula 10 is the same as defined in Formula 1 above, and X is -Cl, -Br or -I.
[반응식 4][Scheme 4]
반응식 4의 Ar1, Ar2, Ar3, Ar4 및 n은 상기 화학식 1에서 정의한 것과 동일하며, X는 -Cl, -Br 또는 -I이다.Ar1, Ar2, Ar3, Ar4 and n in Scheme 4 are the same as defined in Formula 1, and X is -Cl, -Br or -I.
본 발명의 유기 광전도성 재료인 화학식 1로 표시되는 아민 화합물은, 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층에 사용된다. 페로브스카이트 태양전지는, 도 1 및 도 2 에 개략도로 나타낸 된 것처럼, 통상 기판(3), 제1 전극(4), 제2의 전극(8), 페로브스카이트층, 정공수송층(7) 및 전자수송층(5)를 이룬다.The amine compound represented by Chemical Formula 1, which is the organic photoconductive material of the present invention, is used in the hole transport layer of the perovskite solar cell. As schematically shown in FIGS. 1 and 2 , the perovskite solar cell typically includes a
페로브스카이트 태양전지에는 도 1에 표시된 것처럼, 제1의 전극이 부극, 제2의 전극이 정국으로 기판(3), 제1의 전극(4), 전자수송층(5), 페로브스카이트층, 정공수송층(7), 및 제2의 전극(8)이 이 순서데로 적층되어 있는 순차형(1)과, 도 2에 표시된 것처럼, 제1의 전극이 정극, 제2의 전극이 부극이고, 기판(3), 제1의 전극(4), 정공수송층(7), 페로브스카이트층(6), 전자수송층(5) 및 제2의 전극(8)이 이 순서대로 적층되어 있는 역전형(2)이 있다.As shown in FIG. 1, in the perovskite solar cell, the first electrode is a negative electrode and the second electrode is a positive electrode, and the
(1) 기판(3)(1) Substrate (3)
상기 기판(3)으로는, 기판상에 적층된 층을 보전하는 기능을 가지면 특히 문제가 없으나, 바람직한 것은 전광선 투과율 50% 이상의 투명기판이 선택 되어지며, 투명기판으로서는 특히 제한되지 않으나 유리나 아크릴수지, 폴리올레핀 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리아미드 수지 등의 투명수지가 선택될 수 있다. 기판(3)은 제1의 전극에 의하여 대체되어도 된다.As the
(2) 제1의 전극(4)(2) 1st electrode 4
제1의 전극(4)으로는, 전도성을 가지고 빛을 투과하는 재료를 사용 할 수 있어, 예를 들어, 불소도핑산화주석(FTO), 안티몬도핑산화주철(ATO), 산화아연(ZnO), 산화주철SnO2), 인듐주석산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 이디움가륨아연산화물(IGZO), 알루미늄도핑산화아연(AZO), 그래핀(graphene) 등을 사용 할 수가 있다. 이것들은 1종 단독으로 사용해도, 2종류 이상의 조합으로 사용해도 된다. 또한, 패턴 형성에 따라, 투명하지 않은 전극재료와 조합해서 사용 해도된다.As the first electrode 4, a material that has conductivity and transmits light can be used, such as fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony-doped iron oxide (ATO), zinc oxide (ZnO), Cast iron oxide SnO 2 ), indium tin oxide (ITO), indium gallium zinc oxide (IGZO), aluminum doped zinc oxide (AZO), graphene, and the like can be used. These may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more types. Also, depending on pattern formation, it may be used in combination with a non-transparent electrode material.
제1의 전극(4)의 두께는 예를 들어, 200nm ~ 12000nm 이다. 저항값은 5 ~15 Ω/□이 되도록 조절하는 것이 요망된다.The thickness of the first electrode 4 is, for example, 200 nm to 12000 nm. It is desired to adjust the resistance value to be 5 to 15 Ω/□.
제1의 전극(4)은 증착, 스퍼터링 및 스프레이법, 스핀코팅법, 딥코팅법 등의 도포방법으로 형성 할 수 있다.The first electrode 4 can be formed by a coating method such as deposition, sputtering, spraying, spin coating, and dip coating.
제1의 전극은 다음의 층을 적층하기 전에 세정, 오존처리 등을 실행해도 좋다.The first electrode may be subjected to cleaning, ozone treatment, or the like before laminating the next layer.
(3) 제2의 전극(8)(3) Second electrode 8
제2의 전극(8)로서는 금, 은, 알미늄, 동, 백금, 로지움, 인듐(indium), 티탄, 철, 니켈, 주석, 아연, 몰리브덴과 같은 산화물 및 이들 중에 어느 것을 함유한 합금 및 전도성의 탄소재료 등을 사용할 수 있다. 전극(8)은 단층, 또는 다른 재료를 사용한 2층 이어도 된다. 또한 제1의 전극에 사용한 재료를 사용할 수도 있다.As the second electrode 8, oxides such as gold, silver, aluminum, copper, platinum, rhodium, indium, titanium, iron, nickel, tin, zinc, and molybdenum, alloys containing any of these, and conductive of carbon materials and the like can be used. The electrode 8 may be a single layer or two layers using different materials. Moreover, the material used for the 1st electrode can also be used.
제2의 전극(8)의 두께는, 예를 들어, 50nm ~ 100nm 이다.The thickness of the second electrode 8 is, for example, 50 nm to 100 nm.
제2의 전극(8)은, 증착, 스퍼터링 및 스프레이법, 스핀코팅법, 딥코팅법 등의 도포 방법으로 형성할 수 있다.The second electrode 8 can be formed by a coating method such as vapor deposition, sputtering and spraying, spin coating, and dip coating.
(4) 페로브스카이트층(6)(4) Perovskite layer (6)
페로브스카이트층(6)은, ABX3으로 표시되는 페로브스카이트 구조를 가지는 화합물을 포함한다. 여기서 A는 1가의 양이온, 바람직하게는 알카리금속양이온, 유기양이온, 더욱 바람직하게는 세슘 양이온, 프란슘 양이온, RNH3 + (R은 탄소수 1 ~ 10의 알킬기), NH2CHNH2 +가 있고, B는 2가의 양이온, 추천으로는 천이금속원소나 제13족 ~ 제15족 원소의 2가 양이온, 더욱 바람직하게는 Pb2 +, Sn2 +, Ge2 +가 있고, X는 음이온, 추천으로는 할로겐화 음이온이 있다. A, B, X의 각각으로는 1종 단독으로도 복수종의 조합으로도 좋으나, 1종 단독이 좋다. 구체적으로는 RNH3PbX3, R(NH2)2PbX3, RNH3SnX3, R(NH2)2SnX3(R은 탄소수 1~10의 알킬기이다), 이것들과 메틸포름아미드와의 착체를 들 수가 있다. 이들은 1종류를 사용해도 2종류 이상의 조합을 사용해도 좋다.The
페로브스카이트층(6)의 두께는, 예를 들어, 100nm ~ 600nm 이다.The thickness of the
페로브스카이트층(6)은, 페로브스카이트층(6)을 형성하는 성분을 용매에 용해 한 것을 스프레이법, 스핀코팅법, 딥코팅법, 다이코드법 등으로 도포하여 형성할 수 있다.The
(5) 정공수송층(7)(5) hole transport layer (7)
정공수송층(7)은, 상기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물을 포함하는 정공수송층 형성 조성물을 사용하여 형성한다.The
또한, 상기 정공수송층(7)은, 도판트를 포함하지 않는다.Also, the
정공수송층(7)의 두께는, 예를 들어, 10nm ~500nm 으로, 50nm ~150nm이 좋다.The thickness of the
정공수송층(7)은, 상기 정공수송층 형성 조성물을 스프레이법, 닥터블레이드법, 바코드법, 스핀코팅법, 딥코팅법, 다이코팅법 등으로 도포한다. 또한, 스크린인쇄법에 의한 인쇄를 통하여 형성할 수도 있다. 그 후, 필요에 따라 가열을 해가며 용매를 건조시킬 수 있다.The
(6) 전자수송층(5)(6) electron transport layer (5)
전자수송층(5)는, 반도체를 포함한다. 반도체는 예를 들어, 유기 n형 반도체, 무기 n형 반도체를 들 수 있다. 반도체의 밴드갭은, 1.5~4.2 eV를 들 수 있다.The
유기 n형 반도체로서는 예를 들어, 이미드 화합물, 퀴논 화합물, 퓰러렌(fullerene) 및 그 유도체를 들 수 있다.As an organic n-type semiconductor, an imide compound, a quinone compound, fullerene, and its derivative(s) are mentioned, for example.
또한, 무기 n형 반도체로서는 금속의 산화물, 페로브스카이트 산화물을 들 수 있다. 금속원소로서는 천이금속 및 12~15족의 전이금속을 들 수가 있고, 이산화티탄이 추천된다. 이산화티탄(티나니아) 로서는 컴펙트 티탄, 다공질 티탄을 들 수 있고, 이것들은 4염화티탄에 의하여 처리하는 것도 가능하다.In addition, examples of the inorganic n-type semiconductor include metal oxides and perovskite oxides. Examples of the metal element include transition metals and transition metals of groups 12 to 15, and titanium dioxide is recommended. Examples of titanium dioxide (tinania) include compact titanium and porous titanium, and these can also be treated with titanium tetrachloride.
페로브스카이트 산화물의 예로서는, SrTiO3, CaTiO3 을 들 수가 있다.Examples of the perovskite oxide include SrTiO 3 and CaTiO 3 .
전자수송층(5)의 두께는 예를 들어, 10nm ~ 500nm이다.The thickness of the
전자수송층(5)는, 스프레이법, 스핀코팅법, 진공증착법에 의하여 형성할 수 있다.The
(7) 그 외(7) others
블럭킹(blocking)층, 유리기판 등에 의한 소자 봉지(패키징) 등, 통상의 페로브스카이트 태양전지에 준하는 구성도 본 발명의 목적을 저하하지 않는 한 사용 할 수가 있다.Blocking (blocking) layer, device encapsulation (packaging) with a glass substrate, etc. can also be used as long as the object of the present invention is not degraded.
이상에서 본 발명에 대하여 구현예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명의 구현예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.In the above, the present invention has been described with a focus on embodiments, but this is only an example and does not limit the embodiments of the present invention, and those skilled in the art to which the embodiments of the present invention belong will appreciate the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications not exemplified above are possible within a range that does not deviate.
[실시예][Example]
이하에, 상기의 그림 1 ~ 8의 예시화합물 1 ~ 70의 구조예, 실시예 및 비교예에 의한, 본 발명을 구체적으로 설명하나 이들 구조예(비교를 제외한) 및 실시예에 의한 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by structural examples, examples and comparative examples of exemplary compounds 1 to 70 in Figures 1 to 8, but the present invention according to these structural examples (excluding comparison) and examples It is not limited.
또한, 구조예에서 얻어진 화합물의 화학구조, 분자량 및 원소분석은 이하의 장치 및 조건으로 측정하였다.In addition, the chemical structure, molecular weight and elemental analysis of the compounds obtained in Structural Examples were measured under the following equipment and conditions.
(1) 화학구조(1) Chemical structure
화학구조는 하기 표 1의 장치 및 조건으로 측정하였다.The chemical structure was measured under the equipment and conditions in Table 1 below.
*샘플조정 : 약 4mg 시료/0.4m(CDCl3)
*측정모드 : 1H(통상), 13C(통상, DPET-135)
특히, NMR 측정에 있어서「s」는, SInglet를 의미하고,「br」은 피크의 폭을 의미한다.*Nuclear Magnetic Resonance Device: NMR (Bruker, DPX-200)
*Sample adjustment: Approx. 4mg sample / 0.4m (CDCl 3 )
*Measurement mode: 1H (normal), 13C (normal, DPET-135)
In particular, in the NMR measurement, "s" means SInglet, and "br" means the width of the peak.
(2) 분자량(2) molecular weight
분자량은 하기 표 2의 장치 및 조건으로 측정하였다.Molecular weight was measured by the equipment and conditions in Table 2 below.
*LC 컬럼 : GL-ScIences InertsIl ODS-3 2.1×100mm
*컬럼온도 : 40℃
*용리액=메탄올 : 물 = 90:10
*샘플 주입량 : 5μl
*검출기 : UV254 nm 및 MS ESI*Molecular weight measuring device: LC-MS (Thermo FIsher, Finegang LCQDeca Mass Spectrometer System)
*LC column: GL-ScIences InertsIl ODS-3 2.1×100mm
*Column temperature: 40℃
*Eluent = methanol : water = 90:10
*Sample injection amount: 5μl
*Detector: UV254 nm and MS ESI
(3) 원소분석(3) Elemental analysis
원소분석은 하기 표 3의 장치 및 조건으로 측정하였다.Elemental analysis was measured with the equipment and conditions in Table 3 below.
*샘플량 : 약2 mg
*가스 유량(ml/분) : He=1.5, O2= 1.1, N2=4.3
*연소관 온도설정 : 925℃
*환원관 온도설정 : 640℃
원소분석은 차동열전도법에 의한 탄소(C), 수소(H) 및 질소(N) 동시 정량법에 의하여 측정하였다.*Elemental analyzer: PerkInelmer's Elemental AnalyzesIs 2400
*Sample amount: about 2 mg
*Gas flow rate (ml/min): He=1.5, O 2 = 1.1, N 2 =4.3
*Combustion tube temperature setting: 925℃
*Reduction tube temperature setting: 640℃
Elemental analysis was measured by simultaneous quantification of carbon (C), hydrogen (H) and nitrogen (N) by the differential thermal conduction method.
제조예 1Preparation Example 1
상기 그림 1의 화합물 1(화학식 3)을 다음과 같은 방법으로 제조하였다.Compound 1 (Formula 3) of Figure 1 was prepared as follows.
[화학식 3][Formula 3]
(1) 디아민 중간체의 합성(1) synthesis of diamine intermediates
화학식 5-1로 표시되는 화합물 40.0g(1.0 당량)과, 하기 화학식 4-1로 표시되는 화합물인 5-니트로살리실알데히드(5-NItrosalIcylaldehyde) 78.28g(2.05 당량)을, 1,4-디옥세인(1,4-Dioxane) 400ml 중에 더하여, 1,8-디아자바이사이클로 [5.4.0]-7-운데센(1,8-Diazabicyclo[5.4.0]-7-undecene) 146.1g(4.2 당량)을 더하여 가열 (~100℃)하고, 2시간 반응했다. 반응 종료 후, 실온까지 냉각하고, 생성된 결정을 여과하여 냉 에탄올에서 세정하여, 하기 화학식 6-1로 표시되는 오렌지색 분말 상태 니트로 화합물 77.69g(수율 85%)을 수득했다.40.0 g (1.0 equivalent) of the compound represented by Formula 5-1 and 78.28 g (2.05 equivalent) of 5-NitrosalIcylaldehyde, which is a compound represented by Formula 4-1, were mixed with 1,4-dioxy 1,8-Diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene 146.1 g (4.2 equivalents) in 400 ml of 1,4-Dioxane ) was added, heated (~100°C), and reacted for 2 hours. After completion of the reaction, it was cooled to room temperature, and the formed crystals were filtered and washed with cold ethanol to obtain 77.69 g (yield: 85%) of an orange powdery nitro compound represented by the following formula (6-1).
[화학식 5-1][Formula 5-1]
[화학식 4-1][Formula 4-1]
[화학식 6-1][Formula 6-1]
수득한 니트로 화합물 70.0g(1.0당량)을 혼합 용매(1,4-디옥산:물=1:1 부피비) 250 ml 에 투입한 후, 여기에 0.5 ml 의 농축산에 의하여 활성화시켜 둔 100 메쉬(mesh)의 철분 195.3g(20.0 당량) 중에 더하고 약 110℃에서 2시간 가열 환류시켜 교반하였다. 다음으로, TLC(박막 크로마트그레피)에 의한 반응의 완결을 확인하고, 셀라이트를 통해서 여과하였다. 잔류물은 열 1,4-디옥세인(1,4-Dioxane)으로 충분히 세정하고 여과했다. 세정과 여과를 3~4회 반복한 후, 여액을 포함하여 증발기(evaporator)로 농축하였다. 농축 후, 에탄올로 재결정을 하여 화학식 8-1로 표시되는 47.6g의 오렌지색 분말 생성물을 수득하였다.70.0 g (1.0 equivalent) of the obtained nitro compound was added to 250 ml of a mixed solvent (1,4-dioxane: water = 1: 1 volume ratio), and then 100 mesh activated by 0.5 ml of concentrated acid. ) was added in 195.3 g (20.0 equivalent) of iron powder, heated to reflux at about 110°C for 2 hours, and stirred. Next, completion of the reaction was confirmed by TLC (thin film chromatography), and filtered through Celite. The residue was thoroughly washed with hot 1,4-dioxane and filtered. After repeating washing and filtration 3-4 times, the filtrate was concentrated using an evaporator. After concentration, recrystallization was performed with ethanol to obtain 47.6 g of an orange powder product represented by Chemical Formula 8-1.
[화학식 8-1][Formula 8-1]
수득한 오렌지색 분말생성물을 LC―MS에서 분석한 결과, 메인 피크의 질량 스펙트럼(Mass Spectrum)이 화학식 8-1로 표시되는 디아민 중간체(분자량의 이론값:340.12)에 프로톤이 부가된 분자이온 [M+H]+에 상당한 피크가 341.5에서 관측됐다.As a result of analyzing the obtained orange powder product by LC-MS, the mass spectrum of the main peak was a molecular ion [M +H] + A significant peak was observed at 341.5.
수득한 상기 디아민 중간체의 원소분석은 차동열전도법에 의한 탄소(C),수소(H) 및 질소(N) 동시 정량법을 이용하여 실행했으며, 하기 표 4와 같으며, 오렌지색 분말결정이 화학식 8-1로 표시되는 디아민 중간체인 것을 확인했다.Elemental analysis of the obtained diamine intermediate was carried out using a simultaneous quantification method for carbon (C), hydrogen (H) and nitrogen (N) by differential thermal conduction method, as shown in Table 4 below, and orange powder crystals of formula 8-1 It was confirmed that it was a diamine intermediate represented by
*실측값 : C=77.34%, H=4.48%, N=8.05%*Theoretical value: C=77.63%, H=4.74%, N=8.23%
*Actual values: C=77.34%, H=4.48%, N=8.05%
(2) 화합물 1의 합성(화학식 3)(2) Synthesis of Compound 1 (Formula 3)
할로겐 화합물로서 4-브로모아니솔 26.37g(9.6당량), 트리스(디벤질리덴아세톤) 디파팔라듐(Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium) 0.281g(0.021 당량), 및 터셔리부톡시나트륨 16.949g(12.006 당량)을 2구 플라스크에 투입했다.As halogen compounds, 26.37 g (9.6 equivalents) of 4-bromoanisole, 0.281 g (0.021 equivalents) of Tris (dibenzylideneacetone) dipalladium, and 16.949 g (12.006 equivalents) of tertiary butoxysodium ) was put into a two-necked flask.
다음으로 트리터셔리부틸포스핀 0.2591g(0.00128 당량), 상기 화학식 8-1의 디아민 중간체 5.00g(1.0당량) 및 톨루엔(200mL)을 더하고, 90℃ 에서 1시간 교반을 수행했다. 반응 후, 불용 고체를 별도로 하고, 톨루엔으로 세정했다. 여액을 물 (50 mL)에서 2회, 포화 식염수 (50 mL)에서 1회 세정한 후, 유기층을 황산마그네슘으로 건조했다.Next, 0.2591 g (0.00128 equivalent) of tritert-butylphosphine, 5.00 g (1.0 equivalent) of the diamine intermediate of Formula 8-1, and toluene (200 mL) were added, and stirring was performed at 90°C for 1 hour. After the reaction, insoluble solids were separated and washed with toluene. After the filtrate was washed twice with water (50 mL) and once with saturated brine (50 mL), the organic layer was dried over magnesium sulfate.
황산마그네슘을 별도로 여과하여 분리한 후, 여액을 감압 하에서 농축했다. 얻어진 조제물은 디클로로메탄:헥산=1:1의 혼합 용매를 이용하여 실리카 패드로 여과했다. 여액을 농축한 후, 핵산으로 세정을 하여 황색 고체가 9.55g(수율 85%)를 얻었다.After magnesium sulfate was separated by filtration separately, the filtrate was concentrated under reduced pressure. The obtained preparation was filtered through a silica pad using a mixed solvent of dichloromethane:hexane = 1:1. After concentrating the filtrate, it was washed with nucleic acid to obtain 9.55 g (85% yield) of a yellow solid.
얻어진 황색 분말생성물을 LC―MS에서 분석한 결과, 메인 피크의 질량 스펙트럼(Mass Spectrum)이 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물 1(분자량의 이론값:764.29)에 프로톤이 부가된 분자이온 [M+H]+ 에 상당한 피크가 765.8에서 관측되었다.As a result of analyzing the obtained yellow powdery product by LC-MS, the mass spectrum of the main peak was a molecular ion [M+H to which a proton was added to Compound 1 (theoretical value of molecular weight: 764.29) represented by
또한, LC―MS의 분석결과로부터, 얻어진 화합물 1의 순도가 99.5%인 것을 알았다.Further, from the results of LC-MS analysis, it was found that the obtained compound 1 had a purity of 99.5%.
수득한 화합물 1의 원소분석은 차동열전도법으로 탄소(C), 수소(H) 및 질소(N) 동시정량법을 사용하여 실행했으며, 황색 분말결정이 화학식 3으로 표시되는 화합물인 것을 확인하였다(하기 표 5 참조).Elemental analysis of the obtained compound 1 was performed using a simultaneous determination of carbon (C), hydrogen (H) and nitrogen (N) by differential thermal conduction, and it was confirmed that the yellow powder crystal was a compound represented by Formula 3 (Table below). see 5).
*실측값 : C=78.15%, H=5.02%, N=3.31%*Theoretical values: C=78.52%, H=5.27%, N=3.66%
*Actual values: C=78.15%, H=5.02%, N=3.31%
제조예 2 ~ 제조예 8Production Example 2 to Production Example 8
상기 그림 1 ~ 그림 8에서 화합물 2, 화합물 9, 화합물 13, 화합물 17, 화합물 25, 화합물 28, 화합물 40 및 화합물 68를 각각 제조하여, 제조예 2 ~ 제조예 9를 실시하였다. 제조예 1에 있어서, 아민 화합물(디아민, 트리아민 또는 테트라아민) 및 할로겐 화합물로서, 이하 2에 표시된 각 원료화합물을 이용하고 전부 동일한 방법을 실행하였다.In Figures 1 to 8,
제조예 2 ~ 8 제조에 사용된 아민 화합물과 할로겐 화합물은 하기 표 6과 같으며, 합성된 화합물은 하기 표 7과 같으며, 합성된 화합물의 원소분석 및 LC-MS 측정 결과를 하기 표 8에 나타내었다.Amine compounds and halogen compounds used in the preparation of Preparation Examples 2 to 8 are shown in Table 6 below, synthesized compounds are shown in Table 7 below, and elemental analysis and LC-MS measurement results of the synthesized compounds are shown in Table 8 below. showed up
(화합물1)Preparation Example 1
(Compound 1)
(%)water
(%)
[M+H]+fruit loss value
[M+H]+
(화합물2)Preparation Example 2
(Compound 2)
(%)water
(%)
(화합물9)Preparation Example 3
(Compound 9)
(%)water
(%)
(화합물13)Production Example 4
(Compound 13)
(%)water
(%)
(화합물17)Preparation Example 5
(Compound 17)
(%)water
(%)
(화합물28)Preparation Example 6
(Compound 28)
(%)water
(%)
(화합물40)Preparation Example 7
(Compound 40)
(%)water
(%)
(화합물68)Preparation Example 8
(Compound 68)
(%)water
(%)
실험예 1 : 정공이동도 측정Experimental Example 1: Measurement of hole mobility
인듐산화주석(ITO) 기판(지오메틱사의 ITO 글래스(스펙터품), 5Ω/□)의 전처리로서, 아세톤 및 에탄올로 초음파 세정을 했다.As a pre-treatment of an indium tin oxide (ITO) substrate ( ITO glass (Spector product, manufactured by Geomatics), 5 Ω/□), ultrasonic cleaning was performed with acetone and ethanol.
다음으로 정공주입층으로서 PEDOT/PSS을 스핀코트하고 200℃에서 건조하여 45nm의 박막을 제조했다.Next, as a hole injection layer, PEDOT/PSS was spin-coated and dried at 200° C. to prepare a 45 nm thin film.
이 위에 제조예 1에서 합성한 화합물 1을 스핀코트하고 70℃에서 건조했다.Compound 1 synthesized in Preparation Example 1 was spin-coated thereon and dried at 70°C.
최종적으로 Au(금)전극을 진공증착법으로 80nm 증착하여 SCLC 측정용 소자를 제작했다.Finally, an 80nm Au (gold) electrode was deposited by vacuum deposition to fabricate a device for SCLC measurement.
동일한 방법으로 제조예 2 ~ 8의 화합물 2, 화합물 9, 화합물 13, 화합물 17, 화합물 25, 화합물 28, 화합물 40 및 화합물 68 및 Spiro-OMeTAD(제품명:SHT-263, Merck사 제품)를 각각 이용하여 동일한 SCLC 측정용 소자를 제작했다.
제작한 SCLC 측정용 소자를 이용하여 화합물 2, 화합물 9, 화합물 13, 화합물 17, 화합물 25, 화합물 28, 화합물 40 및 화합물 68 및 Spiro-OMeTAD 의 150~240 nm의 박막으로 정공이동도를 공간전하제한전류(SCLC)법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 9에 나타내었다.
측정한 화합물은 모두 Spiro-OMeTAD외 비교하여 동일 이상의 정공이동도를 나타냈다. 특히 화합물 9는 가장 높은 정공이동도를 나타냈다.All of the measured compounds showed the same or higher hole mobility compared to Spiro-OMeTAD. In particular, compound 9 showed the highest hole mobility.
또한, 상기 화합물에 있어서 고액인 원료 사용을 필요로 하지 않으며, 화합물 1, 2, 9, 13, 17, 25, 28, 40, 68의 합성에 있어서는 가격이 높아서 대규모화가 어려운 컬럼인 크로마로그래피의 사용을 필요로 하지 않기 때문에 제조에 드는 비용을 낮출 수 있었다. 구체적으로는 Spiro-OMeTAD 제조에 드는 비용과 비교하여 비용을 1/10 ~ 1/4 정도로 낮출 수 있었다.In addition, the above compound does not require the use of expensive raw materials, and in the synthesis of
실시예 1 : 페로브스카이트 태양전지의 제조Example 1: Preparation of perovskite solar cell
제조예 1에서 합성한 화합물 1을 정공수송층 형성 조성물로 이용하여 페로브스카이트 태양전지 소자를 이하와 같이 제조하였다.Compound 1 synthesized in Preparation Example 1 A perovskite solar cell device was prepared as follows using the hole transport layer forming composition.
기판 및 제1전극으로서 불소도핑산화주석(FTO)층이 형성된 두께 1.8mm 의 전도성 유리기판(제품명 FTN1.8)을 사용했다. FTO층의 전처리로서,1% 중성세제 수용액, 아세톤, 이소프로판올(isopropanol) 및 증류수의 순으로 초음파 세정을 실행했다. 세정 후, 기판표면에 오존 처리를 했다.As the substrate and the first electrode, a conductive glass substrate (product name: FTN1.8) having a thickness of 1.8 mm formed with a fluorine-doped tin oxide (FTO) layer was used. As a pretreatment of the FTO layer, ultrasonic cleaning was performed in the order of 1% neutral detergent aqueous solution, acetone, isopropanol and distilled water. After cleaning, the substrate surface was treated with ozone.
FTO층 위에 컴팩트한(compact) 티타니아층의 막을 형성했다. 비스(2,4-페탄디오토(pentanedionato))비스(2-프로파놀라토(propanolato))티나늄(IV) (75% 이소프로필(Isopropyl) 알콜용액)을 40배 부피비의 탈수 에탄올과 혼합하여 1/40 부피비의 농도로 조정했다. 이 용액을 가지고 핫플레이트 위에서 450℃로 가열한 기판에 대하여 스프레이 열분해법으로 30nm의 컴팩트한 티타니아층의 막을 형성했다. 이 기판을 공냉 후, 100mL의 증류수에 440μl의 사염화티탄을 더한 용액중에 30분 침적한 후, 500℃에서 소결하여 200 nm의 컴팩트한 티타니아층을 제조했다.A film of a compact titania layer was formed on the FTO layer. Bis(2,4-pentanedionato)bis(2-propanolato)tinanium(IV) (75% isopropyl alcohol solution) mixed with 40-fold volume ratio of dehydrated ethanol and adjusted to a concentration of 1/40 volume ratio. With this solution, a film of a compact titania layer of 30 nm was formed by spray pyrolysis on a substrate heated to 450°C on a hot plate. After air cooling, the substrate was immersed in a solution of 440 μl of titanium tetrachloride added to 100 mL of distilled water for 30 minutes, and then sintered at 500° C. to produce a compact 200 nm titania layer.
계속해서, 컴팩트한 티타니아층 위에 다공질 티타니아층의 막을 형성했다. 티타니아 페이스트(PST-18NR)에 대하여 8배량의 에탄올을 더해서 현탁액을 조정하고, 기판에 스핀코팅한 후, 500℃에서 소결하여 150nm 의 다공질 티타니아층을 제조했다.Subsequently, a film of a porous titania layer was formed on the compact titania layer. A suspension was prepared by adding eight times the amount of ethanol to the titania paste (PST-18NR), spin-coated on a substrate, and then sintered at 500° C. to prepare a 150 nm porous titania layer.
이 컴팩트한 티타니아층 및 다공질 티타니아층은 전자수송층이다.This compact titania layer and the porous titania layer are electron transport layers.
다음으로, 페로브스카이트층의 막을 형성했다. PbI2/MAI(1:1)-DMF 착체를 1.4 mol/L의 농도가 되도록 DMSO(디메틸설폭사이드)를 더하여 조정하고, 기판에 대해서 스핀코트한 후, 45℃, 5℃, 75℃, 100℃에서 순서대로 건조한 후 300 nm의 페로브스카이트층을 제작했다.Next, a perovskite layer film was formed. The PbI/MAI(1:1)-DMF complex was adjusted by adding DMSO (dimethyl sulfoxide) to a concentration of 1.4 mol/L, and spin-coated on the substrate, followed by 45°C, 5°C, 75°C, and 100°C. After drying in order, a 300 nm perovskite layer was produced.
다음으로, 페로브스카이트층 위에 정공수송층의 막을 형성했다. 40mg의 화합물 1을 1,1,2,2--테트라클로로에탄 1mL 에 대하여 용해하고, 정공수송층 형성 조성물을 제조한다. 제조한 정공수송층 형성 조성물의 용액을 가지고 스핀코트로 기판 위에 막을 형성한 후, 70℃에서 건조하여 80nm의 정공수송층을 제작했다.Next, a film of a hole transport layer was formed on the perovskite layer. 40 mg of Compound 1 was dissolved in 1 mL of 1,1,2,2-tetrachloroethane to prepare a composition for forming a hole transport layer. After forming a film on the substrate by spin coating with the solution of the prepared hole transport layer forming composition, it was dried at 70° C. to prepare an 80 nm hole transport layer.
정공수송층 위에 제2의 전극을 진공증착법으로 80nm두께로 증착해서 형성을 시켰다.A second electrode was formed on the hole transport layer by vacuum deposition to a thickness of 80 nm.
마지막으로 유리기판을 붙여서 소자를 덮어서 페로브스카이트 태양전지소자를 제작하였다.Finally, a perovskite solar cell device was fabricated by attaching a glass substrate to cover the device.
실시예 2 ~ 실시예 9Examples 2 to 9
화합물1 대신에, 화합물 2, 화합물 9, 화합물 13, 화합물 17, 화합물 25, 화합물 28, 화합물 40 및 화합물 68를 각각 이용하여 정공수송층 형성 조성물을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 페로브스카이트 태양전지소자를 각각 제조하여 실시예 2 ~ 9(실시예 2부터 실시예 9까지 차례대로 화합물 2, 9, 13, 17, 25, 28, 40, 68 사용)를 실시하였다.Instead of Compound 1,
비교예 1Comparative Example 1
정공수송층을 형성하는 정공수송층 형성 조성물로서 이하의 조성물을 이용한 이외는, 실시예 1 과 동일하게 실시하여 페로브스카이트 태양전지소자를 제조했다.A perovskite solar cell device was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the following composition was used as the hole transport layer forming composition for forming the hole transport layer.
72mg의 Spiro-OMeTAD를 클로로벤젠 1mL에 대하여 용해하고, 첨가제(도판트)로서, 트리스[4-tert-부틸-2-(1H-필라졸-1-일)필리진 (Tris[4-t-butyl-2-(1H-pyrazol-1-yl)pyridine]] 코발트(III) 트리스(트리플오로메탄술포닐) (Tris[bis(trifluoromethylsulfonyl)] 이미드 (13.5mg), 트리스[비스(트리플오로메탄술포닐(Tris[bis(trifluoromethylsulfonyl))이미드리튬 (9.1mg), 및 4-tert-부틸피리딘 (27.2μl)을 더하여, 70℃에서 가열해서, 정공수송층 형성 조성물을 제조했다.72 mg of Spiro-OMeTAD was dissolved in 1 mL of chlorobenzene, and as an additive (dopant), tris[4-tert-butyl-2-(1H-pyrazol-1-yl)pilizine (Tris[4-t- butyl-2-(1H-pyrazol-1-yl)pyridine]] cobalt(III) tris(trifluoromethanesulfonyl) (Tris[bis(trifluoromethylsulfonyl)] imide (13.5 mg), tris[bis(trifluoromethane) Sulfonyl (Tris[bis(trifluoromethylsulfonyl))imilithium (9.1 mg) and 4-tert-butylpyridine (27.2 µl) were added and heated at 70°C to prepare a composition for forming a hole transport layer.
비교예 2 ~ 3Comparative Examples 2 to 3
Spiro-OMeTAD 대신, 하기의 구조식으로 표시된 화합물 (TOP-HTM-α1、TOP-HTM-α2) 각각을 이용하여 정공수송층 형성 조성물을 사용한 이외에는 비교예 1과 동일하게 한 페로브스카이트 태양전지 소자를 제조했다.Instead of Spiro-OMeTAD, a perovskite solar cell device in the same manner as in Comparative Example 1 except for using the hole transport layer forming composition using each of the compounds represented by the following structural formulas (TOP-HTM-α1, TOP-HTM-α2) manufactured
상기 TOP-HTM-α1(화학식 9), TOP-HTM-α2(화학식 10) 각각은 도쿄화성공업주식회사로부터 구매한 것을 사용했다.Each of TOP-HTM-α1 (Formula 9) and TOP-HTM-α2 (Formula 10) was purchased from Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.
[화학식 9][Formula 9]
[화학식 10][Formula 10]
실험예 2 : 페로브스카이트 태양전지 소자의 평가Experimental Example 2: Evaluation of Perovskite Solar Cell Device
실시예 1 ~ 9 및 비교예 1 ~ 3의 페로브스카이트 태양전지의 광변환 특성에 관하여, JIS C8913의 결정계 태양전지셀 출력측정방법에 준거하는 방법으로 측정을 하였다.Regarding the light conversion characteristics of the perovskite solar cells of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 3, measurements were performed in accordance with the JIS C8913 crystalline solar cell output measurement method.
솔라시뮬레이터(OTENTO-SUNIII, 분광계기)에, AM 1.5G의 에어마스필터(AIr mass fIlter)를 조합하고, 측정용 광원의 광량은 기준 태양전지셀을 이용하여, 100 mW/cm2 으로 조사하였다.A solar simulator (OTENTO-SUNIII, spectrometer) was combined with an AM 1.5G air mass filter, and the light amount of the light source for measurement was irradiated at 100 mW/cm 2 using a standard solar cell. .
실제로 측정에 있어서는, 측정면적이 0.1 cm2가 되도록 마스크를 한 태양전지소자에 빛을 주사하면서 소스미터(2400형, 케이슬리인트루멘)를 이용하여 J-V 커브 특성을 측정하고, 그 결과로부터 단락전류(Jsc), 개방전압(Voc), 고선인자(FF), 직렬저항(Rs), 및 병력저항(Rsh)을 측정했다. 더욱이, 광전변환 효율(PCE)는 이하의 식으로 산출했다.In actual measurement, JV curve characteristics are measured using a source meter (type 2400, Casely Intrumen) while light is injected into a masked solar cell device so that the measurement area is 0.1 cm 2 , and the short-circuit current is measured from the result. (J sc ), open circuit voltage (V oc ), high line factor (FF), series resistance (R s ), and power resistance (R sh ) were measured. Furthermore, the photoelectric conversion efficiency (PCE) was calculated by the following formula.
[식 1][Equation 1]
PCE(%) = Jsc(mA/cm2)×Voc(V)×FF/100(mW/cm2)×100PCE (%) = J sc (mA/cm 2 )×V oc (V)×FF/100 (mW/cm 2 )×100
측정 결과를 하기 표 10에 나타내었다. 각각, 변환효율이 최대가 된 소자의 결과를 표시하고 있다.The measurement results are shown in Table 10 below. Each shows the result of the element with the maximum conversion efficiency.
화합물 1, 2, 9, 13, 16, 17, 25, 28, 40 및 68 정공수송층 형성 조성물에 이용한 광전교환소자는, 광전변환효율이 8% 이상으로 높은 광전변환효율을 나타내고 있다. 그 중에, 화합물 1, 2, 8, 88을 정공수송층 형성 조성물에 이용한 광전교환소자는 광전변환효율이 14% 이상으로 높은 변환효율을 나타내고, 특히, 화합물 9를 정공수송층 형성 조성물에 이용한 광전교환소자는 정공수송층에 도판트를 포함하지 않음에도 불구하고, Spiro-OMeTAD를 정공수송층 형성 조성물에 이용하여, 도판트를 더한 정공수송층을 가지는 광전교환소자에 필적하는 높은 광전변환효율을 나타냈다.
실험예 3 : 광조사 하에서의 최대출력에 대한 내구성 평가Experimental Example 3: Durability evaluation for maximum output under light irradiation
실시예 1, 실시예 3 및 비교예 3에서 제조한 페로브스카이트 태양전지 소자의 광조사 하에서의 내구성 평가를 측정하였다.Durability evaluation of the perovskite solar cell devices prepared in Example 1, Example 3 and Comparative Example 3 under light irradiation was measured.
광조사에 대한 내구성 평가는 온도 25℃, 습도 30% RH 이하의 조건하에서, 최대출력이 되도록 전압을 인가한 상태에서 100 mW/cm2의 빛을 조사하고, 광전변환효율을 측정해서, 페로브스카이트 태양전지소자의 광조사 하에 있어서의 내구성을 확인했으며, 측정 결과를 하기 표 11에 나타내었다.The durability evaluation for light irradiation is performed by irradiating light of 100 mW/cm 2 under the conditions of temperature of 25°C and humidity of 30% RH or less, with voltage applied to achieve maximum output, and measuring photoelectric conversion efficiency. The durability of the skyte solar cell device under light irradiation was confirmed, and the measurement results are shown in Table 11 below.
(hr)light irradiation time
(hr)
(mA/cm2)Jsc
(mA/cm 2 )
(V)Voc
(V)
(%)PEC
(%)
20~200시간ΔPEC(%)
20 to 200 hours
어떤 광전교환소자도 조사(照射)시간의 증대에 따라 변환효율은 저하하는 경향을 보이나, 광조사 20 시간 후와, 200 시간 후의 변환효율의 차를 비교하면, 예시 화합물 1과 9는 1.0% 이하인 것에 비교하면, TOP-HTM-α2는 2.0%로 저하 폭이 큰 결과를 보였다. 이 결과는, 본 발명의 화합물을 정공수송층 형성 조성물에 사용한 페로브스카이트 태양전지소자가 최대 출력의 전압을 인가한 광조사(光照射) 하에 있어서 종래의 정공수송재료보다 탁월한 내구성을 가짐을 나타내는 것이다.The conversion efficiency of any photoelectric exchange device tends to decrease as the irradiation time increases, but when comparing the difference in conversion efficiency after 20 hours and 200 hours after light irradiation, Exemplary Compounds 1 and 9 are less than 1.0%. Compared to that, TOP-HTM-α2 showed a large decrease at 2.0%. This result indicates that the perovskite solar cell device using the compound of the present invention in the hole transport layer forming composition has excellent durability than conventional hole transport materials under light irradiation to which the maximum output voltage is applied. will be.
실험예 4 : 가열에 대한 내구성 평가Experimental Example 4: Evaluation of durability against heating
실시예 1, 실시예 3 및 비교예 3에서 제조한 페로브스카이트 태양전지 소자의 가열에 대한 내구성 평가를 측정하였다.Durability evaluation against heating of the perovskite solar cell devices prepared in Example 1, Example 3 and Comparative Example 3 was measured.
가열에 대한 내구성 평가는 질소분위기에서, 150℃로 가열을 통해서,페로브스카이트 태양전지소자의 가열에 대한 내구성을 확인하였으며, 그 결과를 하기 표 12에 나타내었다.In the evaluation of durability against heating, durability against heating of the perovskite solar cell device was confirmed by heating at 150° C. in a nitrogen atmosphere, and the results are shown in Table 12 below.
(분)heating time
(minute)
(mA/cm2)J sc
(mA/cm 2 )
(V)V oc
(V)
(%)PEC
(%)
(0~60분)∆PEC
(0-60 minutes)
어느 광전교환소자도 30분의 가열 후에는 변환효율이 저하하는 경향이 있으나, 초기(가열시간0분)과 60분 가열 후의 변환효율의 차를 비교해 보면 예시 화합물 No.1과 9는 1.0%이하, (0.8~0.4%)인 것에 비하여, TOP-HTM-α2는 3.1~2.6%로 저하 되는 경향이 크게 나타났다.Although the conversion efficiency of any photoelectric exchange device tends to decrease after heating for 30 minutes, when comparing the difference in conversion efficiency between the initial stage (heating time of 0 minutes) and the conversion efficiency after 60 minutes of heating, Exemplary Compounds No. 1 and 9 are less than 1.0%. , (0.8~0.4%), TOP-HTM-α2 tended to decrease to 3.1~2.6%.
이 결과는, 본 발명의 화합물을 정공수송층 형성 조성물에 사용한 페로브스카이트 태양전지소자가 최대출력의 전압을 인가 한 광조사(光照射) 하에 있어서도 종래의 정공수송재료보다도 가열에 대한 우월한 내구성을 가진다는 것을 나타내는 것이다.As a result, the perovskite solar cell device using the compound of the present invention in the hole transport layer forming composition has superior durability to heating than conventional hole transport materials even under light irradiation to which the maximum output voltage is applied. to indicate that you have
1 : 순형(順型)제조 소자 2 : 역형(逆型)제조 소자
3 : 기판 4 : 제1 전극 5 : 전자수송층
6 : 페로브스카이트층 7 : 정공수송층 8 : 제2 전극1: Direct mold manufacturing element 2: Reverse mold manufacturing element
3: substrate 4: first electrode 5: electron transport layer
6: perovskite layer 7: hole transport layer 8: second electrode
Claims (10)
[화학식 2]
화학식 2에 있어서, 상기 Ar1이 , 또는 이면, Y는 -O-, -S-, -NH-, 또는 알릴기 또는 알킬기의 치환기를 가지는 질소 원자를 포함하고,
상기 Ar1이 , 또는 이면, Y는 -S-, -NH-, 또는 알릴기 또는 알킬기의 치환기를 가지는 질소 원자를 포함하고,
상기 Ar3 및 Ar4는 서로 같거나 다른 것으로서, 비치환된 아릴기(aryl group), 치환기를 가지는 아릴기, 비치환된 복소환기 또는 치환기를 가지는 복소환기를 포함하며, 상기 n은 2 내지 4의 정수이다.An organic photoconductive material characterized in that the amine compound represented by the following formula (2) is an amine compound represented by the following formula (2);
[Formula 2]
In Formula 2, the Ar1 is , or If Y is -O-, -S-, -NH-, or a nitrogen atom having a substituent of an allyl group or an alkyl group,
The Ar1 is , or If Y is -S-, -NH-, or a nitrogen atom having a substituent of an allyl group or an alkyl group,
Ar3 and Ar4 are the same as or different from each other, and include an unsubstituted aryl group, an aryl group having a substituent, an unsubstituted heterocyclic group, or a heterocyclic group having a substituent, wherein n is an integer of 2 to 4 am.
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KR20080096440A (en) * | 2007-04-26 | 2008-10-30 | 주식회사 엘지화학 | New diamine derivatives and organic electronic device using the same |
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KR101853342B1 (en) | 2015-11-25 | 2018-04-30 | 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단 | Perovskite solar cell and preparing method of same |
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KR20210064431A (en) * | 2016-11-23 | 2021-06-02 | 주식회사 엘지화학 | Electroactive compounds |
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2022
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