KR102625989B1 - 신규 페난스롤린계 화합물, 이의 제조방법 및 이를 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자 - Google Patents

신규 페난스롤린계 화합물, 이의 제조방법 및 이를 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광전자 소자의 광안정성을 향상시키기 위한 신규 화합물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신규 페난스롤린계 화합물, 이의 제조방법 및 이를 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물은 페난스롤린 모핵에 아민기 사이드 체인을 도입시킨 새로운 화합물로서, 극성 용매에 용해성이 우수하여 용액공정이 가능하므로, 유연 기판에도 적용이 가능하며, 단순히 n-형 반도체 유기층(예컨대 유기 광활성층 또는 전자전달층) 상에 패시베이션층으로서 도입함으로써 안정성 증대 뿐만 아니라, 개방전압이나 광전류의 증가 등과 같은 효율의 추가적인 증대를 가져올 수 있다.

Description

신규 페난스롤린계 화합물, 이의 제조방법 및 이를 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자{Novel phenanthroline-based compound, preparation method thereof, and optoelectronic device comprising the same as passivation layer}
본 발명은 광전자 소자의 광안정성을 향상시키기 위한 신규 화합물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신규 페난스롤린계 화합물, 이의 제조방법 및 이를 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자에 관한 것이다.
페로브스카이트 및 유기 태양전지는 용액 공정을 이용한 소자 제작과 페로브스카이트와 유기반도체의 높은 흡광계수, 쉬운 밴드갭 조절, 및 물리적 특성을 기반으로 고효율 및 유연 소자 제작이 가능하다는 장점 때문에 현재 가장 유력한 차세대 태양전지 후보들로 각광 받고 있다.
예컨대, 역구조 페로브스카이트 태양전지의 경우 태양전지를 구성하는 전극, n-type 기능층, p-type 기능층, 페로브스카이트로 된 광활성층 모두 용액 공정 및 저온공정을 이용하여 구현 가능하기 때문에 일반적인 유리 기판뿐만 아니라 유연한 기판위에 제작이 가능하여, 건물 일체형 태양전지로 적용이 가능하다.
그러나, 이러한 장점에도 불구하고 페로브스카이트 및 유기 태양전지를 이루고 있는 광활성 소재의 낮은 광 안정성 때문에 소자의 성능이 낮아지는 문제점이 있다. 일 예로, 광활성층으로 페로브스카이트가 사용될 경우, 이론적으로 높은 광전변환효율을 보이고 있으나, 실제의 동작에서는 할라이드 이온의 용출현상이 문제된다. 이는 페로브스카이트 결정구조에서 이온 결합이 이루어지는데 기인한다. 즉, 페로브스카이트의 결정구조에서 면 내에는 할라이드 이온이 배치되므로 표면에서 할라이드 원소가 이탈되고, 이탈로 인해 결정구조가 손상되면, 결정들끼리 응집하여 엑시톤 ??칭이 발생될 수 있다.
따라서, 페로브스카이트 및 유기 광활성층이 빛에 노출되었을 때에 대한 불안정성을 해결할 수 있는 광전자 소자 및 태양전지 구조 개발이 필요한 실정이다.
1. 대한민국 등록특허 제10-2091906호
본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 상기한 바와 같이 종래 기술의 단점 및 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 발광소자, 태양전지 등의 광전자 소자의 광안정성을 향상시키기 위한 신규 화합물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 상기 신규 화합물의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 제3 과제는 상기 신규 화합물을 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 제1 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 신규 페난스롤린계 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 이고,
R3은 *-(CH2)n-*이고, n은 2 내지 10의 정수이고,
R4 및 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1~C4 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고,
*은 치환기의 결합부위이다.)
구체적으로, 상기 n은 4 내지 8의 정수이고, R4 및 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 메틸 또는 에틸일 수 있다.
더 구체적으로, 상기 R1 및 R2는 각각 일 수 있다.
또한, 상기 제2 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법을 제공한다. 상기 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법은 하기 반응식 1로 표시되는 바와 같이, 용매, 염기 및 촉매 하에서 할로겐 치환기를 갖는 화학식 2의 페난스롤린 화합물을 스즈키 반응시켜 화학식 3의 화합물을 제조하는 단계(S10); 및 상기 화학식 3의 화합물을 아미노화 반응시켜 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계(S20)를 포함한다.
[반응식 1]
(상기 반응식 1에서,
R3 내지 R5는 각각 상기 화학식 1에서 정의된 바와 같다.)
상기 S10 단계는 화학식 2의 페난스롤린 화합물을 말단에 할로겐 치환기를 갖는 다이옥소보레인 화합물과 스즈키 반응시켜 화학식 3의 화합물을 제조할 수 있다.
상기 S10 단계의 반응은 80~120℃에서 수행될 수 있다.
상기 S20 단계는 화학식 3의 화합물을 유기용매에 용해시킨 후, 아민 화합물을 첨가하여 반응시킴으로써 화학식 1의 화합물을 제조할 수 있다.
상기 S20 단계의 반응은 -100 내지 -50℃에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 제3 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 상기 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자를 제공한다. 상기 광전자 소자는 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극; 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층 또는 발광층; 및 상기 광활성층 또는 발광층과 제2 전극 사이에 위치하는, 상기 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층;을 포함한다.
상기 광전자 소자는 페로브스카이트 태양전지이되, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 정공전달층; 상기 정공전달층 상에 형성된 페로브스카이트 광활성층; 상기 페로브스카이트 광활성층 상에 형성된 전자전달층; 상기 전자전달층 상에 형성된, 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층; 및 상기 패시베이션층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지일 수 있다.
상기 광전자 소자는 페로브스카이트 발광소자이되, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 정공전달층; 상기 정공전달층 상에 형성된 페로브스카이트 발광층; 상기 페로브스카이트 발광층 상에 형성된 전자전달층; 상기 전자전달층 상에 형성된, 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층; 및 상기 패시베이션층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 페로브스카이트 발광소자일 수 있다.
상기 광전자 소자는 유기 태양전지이되, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 정공전달층; 상기 정공전달층 상에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상에 형성된, 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층; 및 상기 패시베이션층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 유기 태양전지일 수 있다.
상기 패시베이션층은 두께가 10 nm 이하인 초박막일 수 있다.
상기 패시베이션층은 n-형 유기물의 결함을 억제할 수 있다.
상기 광전자 소자는 광안정성에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양전지를 빛에 노출시키고 maximum power point tracking 방법으로 측정하였을 경우, 40시간이 지나도 태양전지의 성능이 초기효율 대비 90%가 유지될 수 있다.
상기 광전자 소자는 광안정성에 있어서, 상기 유기 태양전지를 빛에 노출시키고 전류-전압 곡선을 일정 간격으로 측정하는 방법으로 측정하였을 경우, 40시간이 지나도 태양전지의 성능이 초기효율 대비 90%가 유지될 수 있다.
본 발명에 따르면, 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물은 페난스롤린 모핵에 아민기 사이드 체인을 도입시킨 새로운 화합물로서, 극성 용매에 용해성이 우수하여 용액공정이 가능하고, 단순히 n-형 반도체 유기층(예컨대 유기 광활성층 또는 전자전달층) 상에 패시베이션층으로서 도입함으로써 안정성 증대 뿐만 아니라, 개방전압이나 광전류의 증가 등과 같은 효율의 추가적인 증대를 가져올 수 있다.
또한, 용액공정이 가능하므로, 페로브스카이트 태양전지 및 유기 태양전지를 유연한 기판을 이용한 소자에 적용하였을 때, 수명연장에 긍정적인 효과를 기대할 수 있고, 이는 유연한 기판을 이용한 소자의 수명문제를 개선할 수 있는 돌파구를 제시하여 페로브스카이트 태양전지 및 유기 태양전지와 같은 광전자 소자가 차세대 에너지원으로 이용될 수 있는 계기를 마련할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패시베이션층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시베이션층을 포함하는 페로브스카이트 발광소자를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 패시베이션층을 포함하는 유기 태양전지를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 패시베이션층의 유무에 따른 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압 곡선이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 패시베이션층의 유무에 따른 유기 태양전지의 전류-전압 곡선이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 패시베이션층의 유무에 따른 페로브스카이트 태양전지의 광안정성 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 패시베이션층의 유무에 따른 유기 태양전지의 광안정성 실험결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
신규 페난스롤린계 화합물
본 발명의 일 측면은 하기 화학식 1로 표시되는 신규 페난스롤린계 화합물을 제공한다.
(상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 이고,
R3은 *-(CH2)n-*이고, n은 2 내지 30의 정수이고,
R4 및 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1~C4 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고,
*은 치환기의 결합부위이다.)
구체적으로, 상기 n은 4 내지 10의 정수이고, R4 및 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 메틸 또는 에틸일 수 있다.
더 구체적으로, 상기 R1 및 R2는 각각 일 수 있다.
상기 신규 페난스롤린계 화합물은 아민기를 사이드체인으로 가지는 페난스롤린 화합물로서, 광전자 소자 내에서 n-형 반도체 유기물이 빛의 반응으로 생기는 결함을 억제하는 패시베이션 기능을 할 수 있다.
신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법
또한, 본 발명의 다른 측면은 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법은, 하기 반응식 1로 표시되는 바와 같이,
용매, 염기 및 촉매 하에서 할로겐 치환기를 갖는 화학식 2의 페난스롤린 화합물을 스즈키 반응시켜 화학식 3의 화합물을 제조하는 단계(S10); 및
상기 화학식 3의 화합물을 아미노화 반응시켜 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계(S20)를 포함한다.
[반응식 1]
(상기 반응식 1에서,
R3 내지 R5는 각각 상기 화학식 1에서 정의된 바와 같다.)
이하, 본 발명에 따른 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법을 단계별로 상세하게 설명한다.
먼저, S10 단계는 화학식 2의 페난스롤린 화합물을 스즈키 반응시켜 화학식 3의 화합물을 제조하는 단계로서, 구체적으로는 용매, 염기 및 촉매 하에서 할로겐 치환기를 갖는 화학식 2의 페난스롤린 화합물을 스즈키 반응시켜 화학식 3의 화합물을 제조하는 단계이다.
상기 S10 단계에서 용매는 테트라하이드로퓨란과 물의 혼합용매를 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 S10 단계에서 촉매는 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐일 수 있다.
상기 S10 단계에서 스즈키 반응을 위해 화학식 2의 페난스롤린 화합물을 말단에 할로겐 치환기를 갖는 다이옥소보레인 화합물과 반응시킬 수 있다.
상기 S10 단계의 스즈키 반응은 80~120℃에서 수행되는 것이 바람직한 바, 만일 상기 반응온도의 범위를 벗어나면 반응 진행에 문제가 있고, 부반응이 다수 발생하는 문제가 있다.
상기 S10 단계에서 반응이 종료된 후에는 컬럼 크로마토그래피 등을 이용하여 정제하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.
다음으로, S20 단계는 상기 화학식 3의 화합물을 아미노화 반응시켜 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계이다.
상기 S20 단계는 화학식 3의 화합물을 유기용매에 용해시킨 후, 아민 화합물을 첨가하여 반응시킴으로써 화학식 1의 화합물을 제조할 수 있다.
상기 S20 단계에서 용매는 테트라하이드로퓨란을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 S20 단계에서 반응온도는 -100 내지 -50℃에서 수행되는 것이 바람직한 바, 만일 반응물이 결빙되는 온도 미만이면 반응 진행에 문제가 있고, 만일 상온을 초과하면 부반응이 다수 발생하는 문제가 있다.
제조된 화학식 1의 화합물은 컬럼 크로마토그래피 등을 이용하여 고순도로 정제하는 단계를 더 포함할 수 있다.
신규 페난스롤린계 화합물을 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자
나아가, 본 발명의 또 다른 측면은 신규 페난스롤린계 화합물을 패시베이션층으로 포함하는 광전자 소자를 제공한다.
상기 광전자 소자는 페로브스카이트를 광활성층 또는 발광층으로 사용하는 페로브스카이트계 광전자 소자, 및 유기 광활성층을 사용하는 유기 태양전지 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일례로서, 본 발명에 따른 광전자 소자는 페로브스카이트 태양전지, 페로브스카이트 발광소자 또는 유기 태양전지일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지를 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 상기 페로브스카이트 태양전지는 제1 전극(10)과, 제2 전극(60), 이들 두 전극 사이에 배치된 페로브스카이트 광활성층(30), 제1 전극과 페로브스카이트 광활성층 사이에 배치된 정공전달층(20), 상기 페로브스카이트 광활성층과 제2 전극 사이에 배치된 전자전달층(40)을 구비하며, 상기 전자전달층과 제2 전극 사이에 본 발명에 따른 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층(50)을 구비할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 발광소자를 나타내는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 상기 페로브스카이트 발광소자는 제1 전극(10)과, 제2 전극(60), 이들 두 전극 사이에 배치된 페로브스카이트 발광층(35), 제1 전극과 페로브스카이트 발광층 사이에 배치된 정공전달층(20), 상기 페로브스카이트 발광층과 제2 전극 사이에 배치된 전자전달층(40)을 구비하며, 상기 전자전달층과 제2 전극 사이에 본 발명에 따른 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층(50)을 구비할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 태양전지를 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 상기 유기 태양전지는 제1 전극(10)과, 제2 전극(60), 이들 두 전극 사이에 배치된 유기 광활성층(30), 제1 전극과 유기 광활성층 사이에 배치된 정공전달층(20), 상기 유기 광활성층과 제2 전극 사이에 배치된 본 발명에 따른 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층(50)을 구비할 수 있다.
상기 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물은 말단에 아민기를 가짐으로써 패시베이션 기능을 가지며, n-형 반도체 유기물의 결함을 방지할 수 있다. 이에 따라 n-형 반도체 유기물을 포함하는 전자전달층 또는 유기 광활성층 상에 화학식 1의 신규 페난스롤린계화합물 박막이 패시베이션층으로서 도입됨으로써, 광활성층 또는 발광층의 개질 없이도 페로브스카이트계 또는 유기계 태양전지 또는 발광소자의 결함을 억제함으로써 광전자 소자가 빛에 노출되었을 때에도 향상된 광안정성을 확보하여 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다(도 4 내지 도 6 참조).
따라서, 말단에 아민기를 갖는 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물 박막은 n-형 반도체 유기물층을 포함하는 페로브스카이트 소자 및 유기 태양전지 소자와 같은 광전자 소자 내의 전하 불균형을 해소시킴으로써, 패시베이션층으로 유용하게 사용될 수 있다.
상기 패시베이션층은 10nm 이하의 초박막으로 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층은 스핀 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이 코팅, 그라비아 코팅, 블레이드 코팅, 스크린 프린팅, 노즐 프린팅, 잉크젯 프린팅, 전기수력학적 젯 프린팅, 전기분무 또는 일렉트로스피닝을 수행하여 도포될 수 있다.
이러한 광전자 소자는 기존에 비하여 향상된 광 안정성을 가질 수 있다.
제1 전극(10)은 하부전극으로서 전도성 금속 산화물, 금속, 금속 합금, 또는 탄소재료일 수 있다. 전도성 금속 산화물은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide, ATO), 플루오르 도프 산화주석(FTO), SnO2, ZnO, 또는 이들의 조합일 수 있다. 애노드(10)로서 적합한 금속 또는 금속합금은 Au와 CuI일 수 있다. 탄소재료는 흑연, 그라핀, 또는 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 제1 전극은 기판 상에 형성될 수 있다. 기판은 유리기판일 수 있으며, 플렉시블한 소재로 된 시트 형태일 수도 있다. 일례로서 상기 제1 전극은 유리기판 상에 형성된 ITO 전극일 수 있다.
정공전달층(20)은 제1 전극 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 정공전달층은 p형 반도체로서 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)을 포함할 수 있다. 또한 상기 정공전달층은 당 업계에서 통상적으로 사용되는 정공 수송 물질을 사용할 수 있다.
일반적인 정공 수송물질은 예를 들면, mCP (N,N-dicarbazolyl-3,5-benzene); PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate); NPD (N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenylbenzidine); N,N'-디페닐-N,N'-디(3-메틸페닐)-4,4'-디아미노비페닐(TPD); N,N'-디페닐-N,N'-디나프틸-4,4'-디아미노비페닐; N,N,N'N'-테트라-p-톨릴-4,4'-디아미노비페닐; N,N,N'N'-테트라페닐-4,4'-디아미노비페닐; 코퍼(II)1,10,15,20-테트라페닐-21H,23H-포피린 등과 같은 포피린(porphyrin)화합물 유도체; TAPC(1,1-Bis[4-[N,N'-Di(p-tolyl)Amino]Phenyl]Cyclohexane); N,N,N-트리(p-톨릴)아민, 4, 4', 4'-트리스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]트리페닐아민과 같은 트리아릴아민 유도체; N-페닐카르바졸 및 폴리비닐카르바졸과 같은 카르바졸 유도체; 무금속 프탈로시아닌, 구리프탈로시아닌과 같은 프탈로시아닌 유도체; 스타버스트 아민 유도체; 엔아민스틸벤계 유도체; 방향족 삼급아민과 스티릴 아민 화합물의 유도체; 및 폴리실란 등일 수 있다.
광활성층(30) 또는 발광층(35)은 정공전달층(20) 상에 형성될 수 있다. 상기 광활성층 또는 발광층은 페로브스카이트 물질 또는 유기물질을 포함할 수 있다.
이때, 페로브스카이트 물질은 소자의 형태에 따라 적합하게 선택될 수 있다. 즉, 태양전지, 발광소자 등 필요에 따라 페로브스카이트 물질이 선택될 수 있다. 상기 페로브스카이트 물질로는 당 업계에 공지된 것을 사용할 수 있으며, 예컨대, FAPbBr3(Formamidinium Lead bromide), FAPbBr2Cl(Formamidinium Lead Bromine chloride), MAPbI3(Methylammonium Lead iodide) 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 유기 태양전지 등에 사용되는 유기 광활성층을 이루는 유기물질로는 당 업계에 공지된 물질을 사용할 수 있으며, 예컨대, p형 반도체 유기물질 및 n형 반도체 유기물질이 이종접합(hetero junction)된 물질을 사용할 수 있다.
전자전달층(40)은 페로브스카이트 광활성층 또는 발광층 상에 형성될 수 있다. 상기 전자전달층은 제2 전극에서 페로브스카이트 박막으로의 전자의 주입 또는 전달 효율을 높이는 기능을 한다.
상기 전자전달층(40)으로는 n형 반도체로서 C60 유도체, PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 등을 포함할 수 있으며, TSPO1(diphenylphosphine oxide-4-(triphenylsilyl)phenyl), TPBi(1,3,5-트리스(N-페닐벤즈이미다졸-2-일)벤젠), 트리스(8-퀴놀리노레이트)알루미늄(Alq3), 2,5-디아릴 실롤 유도체(PyPySPyPy), 퍼플루오리네이티드 화합물(PF-6P), COTs (Octasubstituted cyclooctatetraene), TAZ(하기 화학식 참조), Bphen(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)), BCP(하기 화학식 참조), 또는 BAlq(하기 화학식 참조)일 수 있다.
상기 패시베이션층(50) 상에는 제2 전극(60)이 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(60)은 전자가 주입되는 음극으로서, 전도성 있는 성질의 소재로 구성될 수 있다. 상기 제2 전극(60)이 음극인 경우에는 금속인 것이 바람직하고, 예를 들어, 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 인듐, 이트륨, 리튬, 은, 납, 세슘 등의 금속 또는 이들의 2종 이상의 조합을 사용하여 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시형태에 있어서, 상기 제1 전극(10)을 음극으로, 제2 전극(60)을 양극으로 사용할 수 있다. 즉, 기판 상에 제2 전극(60)이 형성되고, 그 위에 패시베이션층(50), 전자전달층(40), 광활성층(30) 또는 발광층(35), 정공전달층(20) 및 제1 전극(10)이 적층되는 구조도 당연히 본 발명의 범위에 포함된다.
상기 제1 전극(10) 또는 제2 전극(60)은 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD), 스퍼터링, 펄스 레이저 증착(PLD), 증발법, 전자빔 증발법, 원자층 증착(ALD) 및 분자선 에피택시 증착(MBE) 등을 이용하여 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 패시베이션층을 포함하는 광전자 소자의 제조방법을 도 1의 구조를 참조하여 설명한다.
먼저, 기판을 준비하고, 상기 기판 상에 제1 전극(10)을 형성할 수 있다. 이러한 제1 전극은 증착법 또는 스퍼터링법을 이용하여 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 전극(10) 상에 정공전달층(20)을 형성할 수 있다. 이러한 정공전달층은 스핀코팅법, 딥코팅법, 열증착법 또는 스프레이증착법을 수행하여 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 정공전달층(20) 상에 광활성층(30)을 형성할 수 있다. 상기 광활성층으로는 일례로서 페로브스카이트 박막일 수 있다. 페로브스카이트 물질은 뛰어난 광전자 특성(예 : 높은 흡광 계수, 작은 엑시톤 결합 에너지, 긴 엑시톤 확산 길이 및 광학 갭 조정 가능성)을 가질 수 있다. 본 실시예의 페로브스카이트 물질은 OIP(Organic-Inorganic Perovskite) 소재입자로서, 광전변환효율을 강화하기 위한 조성 내지 구조를 가질 수 있다. 페로브스카이트 물질은 이에 제한되지 않고, 전술한 바와 같이, 소자의 형태에 따라 적합하게 선택될 수 있다. 예컨대, 상기 페로브스카이트 물질은 ABX3, A2BX4, A3BX5, A4BX6, ABX4 또는 An-1PbnX3n+1(n은 2 내지 6 사이의 정수)의 구조를 가지며, 상기 A는 유기 암모늄 이온, 유기 아미디늄(amidinium) 이온, 유기 포스포늄 이온, 알칼리 금속 이온 또는 이들의 유도체를 포함하며, 상기 B는 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토금속, 유기물, 무기물, 암모늄, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 X는 할로겐 이온 또는 서로 다른 할로겐 이온의 조합을 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트 박막은 벌크 다결정 박막 또는 나노결정입자로 이루어진 박막일 수 있으며, 상기 나노결정입자는 코어-쉘 구조 또는 그래디언트 조성을 가지는 구조를 가질 수 있다.
이러한 페로브스카이트 박막은 바 코팅 (Bar-coating), 스프레이 코팅 (spray coating), 슬롯다이 코팅 (slot-die coating), 그라비아 코팅 (gravure coating), 블레이드 코팅 (blade-coating), 스크린 프린팅 (screen printing), 노즐 프린팅 (nozzle printing), 잉크젯 프린팅 (inkjet printing), 전기수력학적 젯 프린팅 (electrohydrodynamic-jet printing), 전기분무(electrospray), 일렉트로스피닝 (electrospinning)을 이용하여 형성될 수 있다.
다음으로, 광활성층(30) 상에 전자전달층(40)을 형성할 수 있다. 상기 전자전달층은 n형 반도체로서 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)를 포함할 수 있다. 이러한 전자전달층은 스핀코팅법, 딥코팅법, 열증착법 또는 스프레이증착법을 수행하여 형성할 수 있다.
다음으로, 전자전달층(40) 상에 패시베이션층(50)을 형성할 수 있다. 상기 패시베이션층은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 패시베이션층(50)의 두께는 1-10 nm인 것이 바람직한 바, 만일 상기 패시베이션층의 두께가 10 nm를 초과하면 절연 특성에서 기인하여 전하 주입이 저하된다는 문제가 있다.
상기 패시베이션층(50)은 스핀 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이 코팅, 그라비아 코팅, 블레이드 코팅, 스크린 프린팅, 노즐 프린팅, 잉크젯 프린팅, 전기수력학적 젯 프린팅, 전기분무 또는 일렉트로스피닝을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(50) 상에는 제2 전극(60)을 형성할 수 있다. 이러한 2 전극(60)은 증착법 또는 스퍼터링법을 이용하여 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 제조예(example) 및 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 제조예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 제조예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1 : 6,6'-{(2,9-다이메틸-1,10-페난스롤린-4,7-디일)비스[(4,1-페닐렌)옥시]}비스(N,N-다이메틸헥산-1-아민) (1a)의 제조>
(1) 4,7-비스[4-((6-브로모헥실)옥시)페닐]2,9-다이메틸-1,10-페난스롤린 (3a)의 제조(S10)
4,7-다이브로모-2,9-다이메틸-1,10-페난스롤린(2)(4.00 g, 10.9 mmol)과, 2-[4-[(6-브로모헥실)옥시]페닐]-4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-다이옥소보레인(4)(9.60 g, 25.1 mmol)과, 탄산칼륨(4.52 g, 32.7 mmol)을 테트라하이드로퓨란(120 ml)과 물(30 ml)의 혼합용액에 녹인 후, 촉매로서 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(3 mol%)을 상온에서 첨가하여 반응시켰다. 반응이 종결될 때 까지 100 ℃로 환류한 다음 상온까지 식히고, 물과 메틸렌클로라이드를 첨가하였다. 반응 혼합물을 100 ml의 물로 3번 씻은 후 진공 증류시켜 노란색 오일을 얻은 후, 컬럼크로마토그래피를 통해 정제하여 노란색 오일의 화합물(3a)(7 g, 89 %)을 수득하였다.
1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ (ppm) 7.807 (s, 2H) 7.512 (s, 2H) 7.444 (d, 4H, J = 8.2 Hz) 7.033 (d, 4H, J = 8.2 Hz) 4.045 (t, 4H, J = 6.4 Hz) 3.438 (t, 4H, J = 6.5 Hz) 2.989 (s, 6H) 2.00-1.78 (m, 8H) 1.60-1.50 (m, 8H);
13C NMR (75 MHz, CDCl3): δ (ppm) 159.324, 158.558, 148.602, 145.385, 130.940, 130.189, 124.843, 124.077, 122.974, 114.549, 67.859, 33.868, 32.658, 29.073, 27.924, 25.719, 25.320.
C38H43Br2N2O2에 대한 HRMS(m/z, FAB+): 계산값 717.1694, 측정값 717.1691.
(2) 6,6'-{(2,9-다이메틸-1,10-페난스롤린-4,7-디일)비스[(4,1-페닐렌)옥시]}비스(N,N-다이메틸헥산-1-아민) (1a)의 제조(S20)
상기 (1)에서 얻은 화합물(3a)(4.5 g, 6.26 mmol)을 테트라하이드로퓨란 80 ml에 녹인 후, -78 ℃에서 30분간 교반시켰다. 그 후, 다이메틸아민(62.6 ml, 125.3 mmol)을 적가하고 반응 종결시까지 상온에서 교반시켰다. 다음으로 0.1 M 수산화나트륨을 첨가하여 반응을 종결시킨 후, 에틸 아세테이트와 물을 첨가하였다. 반응 혼합물을 100 ml의 물로 3번 씻은 후 진공 증류시켜 노란색 오일을 얻은 후, 컬럼크로마토그래피를 통해 정제하여 옅은 노란색 고체의 화합물(1a)(2.5 g, 62 %)을 수득하였다.
1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ (ppm) 7.797 (s, 2H) 7.455 (d, 4H, J = 8.9 Hz) 7.422 (s, 2H) 7.040 (d, 4H, J = 8.8 Hz) 4.050 (t, 4H, J = 6.5 Hz) 2.979 (s, 6H) 2.312 (t, 4H, J = 7.0 Hz) 2.249 (s, 12H) 1.92-1.80 (m, 4H) 1.60-1.48 (m, 8H), 1.48-1.38 (m, 4H);
13C NMR (75 MHz, CDCl3): δ (ppm) 159.263, 158.543, 148.249, 146.028, 130.909, 130.342, 124.782, 123.878, 122.882, 114.503, 68.028, 59.771, 45.464, 29.226, 27.649, 27.266, 26.071, 25.902.
C42H54N4O2에 대한 HRMS(m/z, EI+): 계산값 646.4250, 측정값 646.4247.
<실시예 1: 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물을 패시베이션층으로 포함하는 역구조 페로브스카이트 태양전지의 제조>
도 1에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 역구조 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
구체적으로, 제1 전극(10)으로서, ITO를 포함하는 전극을 포함하는 기판(ITO/Glass 기판)을 탈이온수, 아세톤 및 이소프로필알콜(IPA) 순서로 각각 20분씩 초음파 세척기에서 세척하였다.
이후, 세척된 ITO를 30분간 UV-오존 기기를 이용하여 표면처리를 한 후에, 상기 정공전달층(20) 형성을 위해 PTAA(Poly[bis(4-phenyl)(2,5,6-trimethylphenyl)amine)를 톨루엔 (Toluene, Aldrich) 용매에 0.25mg/ml 비율로 희석시킨 용액을 ITO/Glass 기판 위에 스핀코팅 방법을 이용하여 기판을 5000 rpm에서 30초 동안 PTAA을 코팅을 실시하고, 그 위에 PFN-Br (poly[9,9-bis(3'-(N,N-dimethyl)-N-ethylammonium-propyl-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)] dibromide) 물질을 메탄올(Methanol, Aldrich)에 0.5mg/ml 으로 희석 시킨 후 용액상태에서 5000 rpm에서 30초 동안 코팅하여 PFN-Br/PTAA 박막을 형성하였다.
다음으로, 페로브스카이트 광활성층(30)을 형성하기 위해, PbI2 및 MAI를 (1.5mol) DMF(dimethylformamide)/DMSO(dimethyl sulfoxide) (8:1)에 녹인 용액을 PFN-Br/PTAA 박막이 코팅되어 있는 기판 위에 도포 한 후, 5000rpm에서 30초동안 스핀 코팅 방법을 이용하여 페로브스카이트 박막을 형성하되, 페로브스카이트 박막의 결정형성을 위하여 페로브스카이트 용액이 스핀코팅되는 도중에, 디에틸에테르 (diethy ether, DEE) 용액을 스핀코팅 시작 5초 후에 뿌리는 공정을 수행하였다. 스핀코팅이 끝난 후 페로브스카이트 박막이 형성된 기판을 100 ℃로 유지된 핫플레이트에서 10분간 건조공정을 수행하였다.
이후, 전자전달층(40) 형성을 위해, PCBM (Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl-Ester)을 클로로벤젠(chlorobenzene, Aldrich)에 20mg/ml 농도로 녹인 용액을 스핀코팅법을 이용하여 페로브스카이트 층 위에 2000rpm 에서 30초동안 돌려 코팅을 실시하였다.
이후, 제조예 1에서 합성된 화학식 1a의 화합물을 메탄올에 0.05wt%로 희석시킨 용액을 스핀코팅법을 이용하여 상기 전자전달층 위에 5000 rpm에서 30초동안 돌려 코팅을 실시함으로써 패시베이션층(50)을 형성하였다.
마지막으로 상부전극(60) 형성을 위해 진공증착법을 이용하여 금속전극(구리)을 100 nm 두께로 형성하였다.
<실시예 2: 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물을 패시베이션층으로 포함하는 페로브스카이트 발광소자의 제조>
도 2에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 페로브스카이트 발광소자를 제조하였다.
먼저, 구체적으로, 제1 전극(10)으로서, ITO를 포함하는 전극을 포함하는 기판(ITO/Glass 기판)을 탈이온수, 아세톤 및 이소프로필알콜(IPA) 순서로 각각 20분씩 초음파 세척기에서 세척하였다.
이후, 세척된 ITO를 30분간 UV-오존 기기를 이용하여 표면처리를 한 후에, 상기 정공전달층(20) 형성을 위해 PEDOT:PSS 용액을 3000 rpm 정도의 속도로 30 초 정도로 스핀 코팅하여 박막을 형성하였고, 이를 150 ℃ 온도에서 10 분간 열처리하였다.
상기 정공전달층(20) 상에 페로브스카이트 발광층(35)을 형성하기 위해, PbI2 및 MAI를 (1.5mol) DMF(dimethylformamide)/DMSO(dimethyl sulfoxide) (8:1)에 녹인 용액을 PEDOT:PSS 박막이 코팅되어 있는 기판 위에 도포 한 후, 5000rpm에서 30초 동안 스핀 코팅 방법을 이용하여 페로브스카이트 박막을 형성하되, 페로브스카이트 박막의 결정형성을 위하여 페로브스카이트 용액이 스핀코팅되는 도중에, 디에틸에테르(diethy ether, DEE) 용액을 스핀코팅 시작 5초 후에 뿌리는 공정을 수행하였다. 스핀코팅이 끝난 후 페로브스카이트 박막이 형성된 기판을 100 ℃로 유지된 핫플레이트에서 10분간 건조공정을 수행하였다.
상기 발광층(35) 상에 전자전달층(40)으로서 PCBM(Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl-Ester)을 클로로벤젠(chlorobenzene, Aldrich)에 20mg/ml 농도로 녹인 용액을 스핀코팅법을 이용하여 페로브스카이트 층 위에 2000rpm 에서 30초동안 돌려 코팅을 실시하였다.
이후, 제조예 1에서 합성된 화학식 1a의 화합물을 메탄올에 0.05wt%로 희석시킨 용액을 스핀코팅법을 이용하여 상기 전자전달층 위에 5000 rpm에서 30초동안 돌려 코팅을 실시함으로써 패시베이션층(50)을 형성하였다.
마지막으로 상부에 제2 전극(60) 형성을 위해 진공증착법을 이용하여 금속전극(알루미늄)을 100 nm 두께로 형성하였다.
<실시예 3: 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물을 패시베이션층으로 포함하는 유기 태양전지의 제조>
도 3에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 유기 태양전지를 제조하였다.
구체적으로, 제1 전극(10)으로서, ITO를 포함하는 전극을 포함하는 기판(ITO/Glass 기판)을 탈이온수, 아세톤 및 이소프로필알콜(IPA) 순서로 각각 20분씩 초음파 세척기에서 세척하였다.
이후, 세척된 ITO를 30분간 UV-오존 기기를 이용하여 표면처리를 한 후에, 상기 정공전달층(20) 형성을 위해 PEDOT:PSS 용액을 3000 rpm 정도의 속도로 30 초 정도로 스핀 코팅하여 박막을 형성하였고, 이를 150 ℃ 온도에서 10 분간 열처리하였다.
다음으로, 전자주개물질인 PM6 (PBDB-T-2F, Poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2- ethylhexyl-3-fluoro)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']d ithiophene-4,8-dione)]) 및 전자받개물질인 Y6 (BTP-4F, 2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13- bis(2-ethylhexyl)-3,9-diundecyl-12,13-dihydro-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-e]thieno [2",3":4',5']thieno[2',3':4,5]pyrrolo[3,2-g]thieno[2',3':4,5]thieno[3,2-b] indole-2,10-diyl)bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile) 유기물로 광활성층(30)을 제작하였다. 즉, 광활성층을 제작하기 위하여 무습, 무산소 분위기의 글로브박스(glove box)에서 전자주개물질인 PM6 및 전자받개물질인 Y6 유기물을 준비하여 바람직하게는, 각각 1:1.2 비율로 24 mg/ml, 8.8 mg/ml의 농도가 되도록 준비하고, 이 두 물질을 클로로포름 용매에 녹인 후 첨가제로 용액 대비 0.5%의 1-클로로나프탈렌 용매를 첨가하고 8 시간 동안 240 rpm으로 교반(stirring)하였다. 이후, PEDOT:PSS 박막이 증착된 ITO 기판을 무습, 무산소 분위기의 글로브박스(glove box)로 이동한 후 PM6:Y6가 혼합된 클로로포름 용액을 스핀 코팅 방법을 이용하여 3000 rpm에서 30 초 정도 적층하고 글로스 박스 내에서 건조하여 광활성층을 형성하였다.
이후, 제조예 1에서 합성된 화학식 1a의 화합물을 메탄올에 0.05wt%로 희석시킨 용액을 스핀코팅법을 이용하여 상기 전자전달층 위에 5000 rpm에서 30초동안 돌려 코팅을 실시함으로써 패시베이션층(50)을 형성하였다.
마지막으로 상부전극(60) 형성을 위해 진공증착법을 이용하여 금속전극(은(Ag))을 100 nm 두께로 형성하였다.
<비교예 1: 패시베이션층을 포함하지 않는 역구조 페로브스카이트 태양전지의 제조>
실시예 1에 있어서, 패시베이션층을 형성하는 공정을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 역구조 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
<비교예 2: 패시베이션층을 포함하지 않는 페로브스카이트 발광소자의 제조>
실시예 2에 있어서, 패시베이션층을 형성하는 공정을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여 페로브스카이트 발광소자를 제조하였다.
<비교예 3: 패시베이션층을 포함하지 않는 유기 태양전지의 제조>
실시예 3에 있어서, 패시베이션층을 형성하는 공정을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여 유기 태양전지를 제조하였다.
<비교예 4: 패시베이션층으로서 BCP층을 포함하는 역구조 페로브스카이트 태양전지의 제조>
실시예 1에 있어서, 패시베이션층을 형성하는 공정에서 화학식 1a의 화합물 대신 하기 화학식 a의 BCP 화합물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 역구조 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
[화학식 a]
<비교예 5: 패시베이션층으로서 BCP층을 포함하는 페로브스카이트 발광소자의 제조>
실시예 2에 있어서, 패시베이션층을 형성하는 공정에서 화학식 1a의 화합물 대신 상기 화학식 a의 BCP 화합물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여 페로브스카이트 발광소자를 제조하였다.
<비교예 6: 패시베이션층으로서 BCP층을 포함하는 유기 태양전지의 제조>
실시예 3에 있어서, 패시베이션층을 형성하는 공정에서 화학식 1a의 화합물 대신 상기 화학식 a의 BCP 화합물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여 유기 태양전지를 제조하였다.
<실험예 1: 패시베이션층의 형성 유무에 따른 소자의 전류-전압 특성 측정>
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지, 유기 태양전지 등의 광전자 소자에 있어서, 유기물 박막 상에 화학식 1의 화합물로 구성된 패시베이션층의 형성 유무에 따른 소자의 전기화학적 특성의 변화를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
구체적으로, 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 전자전달층 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 화합물 박막을 코팅한 실시예 1의 페로브스카이트 태양전지와, BCP 화합물 박막을 코팅한 비교예 4의 페로브스카이트 태양전지와, 패시베이션층을 형성하지 않은 비교예 1의 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압 특성을 측정하여 도 4에 나타내었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 페로브스카이트 태양전지에 있어서, n-형 반도체 유기물로 구성된 전자전달층 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 박막을 도입하였을 경우와 BCP 화합물 박막을 도입하였을 경우, 역구조 페로브스카이트 태양전지의 성능이 향상되었음을 볼 수 있다.
또한, 유기 태양전지에 있어서, n-형 반도체 유기물을 포함하는 광활성층 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 화합물 박막을 코팅한 실시예 3의 유기 태양전지와, BCP 화합물 박막을 코팅한 비교예 6의 유기 태양전지와, 패시베이션층을 형성하지 않은 비교예 3의 유기 태양전지의 전류-전압 특성을 측정하여 도 5에 나타내었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 유기 태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 유기 태양전지에 있어서, n-형 반도체 유기물을 포함하는 광활성층 상에 BCP 화합물 박막을 도입하였을 경우, 유기 태양전지의 성능이 향상되었으나, 패시베이션층으로서 화학식 1의 박막을 도입하였을 경우, 유기 태양전지의 성능이 BCP 화합물 박막을 도입한 유기 태양전지보다 더 향상되었음을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1의 페난스롤린계 화합물을 n-형 반도체 유기물 상에 패시베이션층으로서 도입함으로써, 광활성층의 개질 없이도 페로브스카이트 태양전지 및 유기 태양전지를 포함하는 광전자 소자의 전기화학적 특성을 향상시킬 수 있다.
<실험예 2: 패시베이션층의 형성 유무에 따른 소자의 광안정성 측정>
페로브스카이트 태양전지는 빛에 노출되면 페로브스카이트 층의 내부에 존재하는 이온결함들이 상부로 이동하여 전극과 n-type 기능층을 파괴시킨다. 동시에 상부로 이온결함들이 이동한 자리는 페로브스카이트 결정의 결함을 유도하여 페로브스카이트 층의 안정성을 저해한다. 또한, 유기 태양전지의 경우에도 빛의 노출에 따라 광활성층의 내부에 존재하는 이온결함들에 의해 태양전지의 성능이 저하된다.
이에, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지, 유기 태양전지 등의 광전자 소자에 있어서, 유기물 박막 상에 화학식 1의 화합물로 구성된 패시베이션층이 이러한 소자의 광안정성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
구체적으로, 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 전자전달층 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 화합물 박막을 코팅한 실시예 1의 페로브스카이트 태양전지와, BCP 화합물 박막을 코팅한 비교예 4의 페로브스카이트 태양전지와, 패시베이션층을 형성하지 않은 비교예 1의 페로브스카이트 태양전지를 태양광에 노출시키고 질소 분위기에서 상태에서 maximum power point tracking 방법으로 광 노출 시간에 따른 태양전지 효율을 측정하여 도 6에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 패시베이션층의 유무에 따른 페로브스카이트 태양전지의 광안정성 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 페로브스카이트 태양전지에 있어서, n-형 반도체 유기물로 구성된 전자전달층 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 박막을 도입하였을 경우, 40시간이 지나도 태양전지의 성능이 초기효율 90% 이내에서 유지되는 것을 확인하였다. 하지만, BCP 화합물 박막을 도입한 비교예 4의 페로브스카이트 태양전지와, 패시베이션층이 도입되지 않은 비교예 1의 태양전지는 각각 15시간, 20시간 이내에 초기효율 대비 80% 수준으로 태양전지의 성능이 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 페로브스카이트 태양전지에 있어서, n-형 반도체 유기물로 구성된 전자전달층 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 박막을 도입하였을 경우, 역구조 페로브스카이트 태양전지의 광안전성 또한 향상됨을 확인하였다.
또한, 유기 태양전지에 있어서, n-형 반도체 유기물을 포함하는 광활성층 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 화합물 박막을 코팅한 실시예 3의 유기 태양전지와, BCP 화합물 박막을 코팅한 비교예 6의 유기 태양전지와, 패시베이션층을 형성하지 않은 비교예 3의 유기 태양전지를 태양광에 노출시키고 질소 분위기에서 상태에서 전류-전압 곡선을 일정 간격으로 측정하는 방법으로 광 노출 시간에 따른 전지 효율을 측정하여 도 7에 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 패시베이션층의 유무에 따른 유기 태양전지의 광안정성 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 유기 태양전지에 있어서, n-형 반도체 유기물을 포함하는 광활성층 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 박막을 도입하였을 경우, 40시간이 지나도 태양전지의 성능이 초기효율 90% 이내에서 유지되는 것을 확인하였다. 그러나, 하지만, 패시베이션층이 도입되지 않은 비교예 3의 태양전지는 10시간 이내에 초기효율 대비 80% 수준으로 태양전지의 성능이 감소하였다. 한편, BCP 화합물 박막을 도입한 태양전지의 경우, 5시간 이내 초기효율 대비 20% 수준으로 태양전지의 성능이 감소하였으며, 30시간 후에는 전지 성능이 중단되었다. 따라서, 페로브스카이트 태양전지에 있어서, n-형 반도체 유기물 상에 패시베이션층으로서 화학식 1의 박막을 도입하였을 경우, 유기 태양전지의 광안전성 또한 현저하게 향상됨을 확인하였다.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1의 페난스롤린계 화합물을 n-형 반도체 유기물 상에 패시베이션층으로서 도입함으로써, 광활성층의 개질 없이도 페로브스카이트 태양전지 및 유기 태양전지를 포함하는 광전자 소자가 빛에 노출되었을 때에도 광안정성을 확보할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 제1 전극 20: 정공전달층
30: 광활성층 35: 발광층
40: 전자전달층 50: 패시베이션층
60: 제2 전극

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 신규 페난스롤린계 화합물.
    [화학식 1]

    (상기 화학식 1에서,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로 이고,
    R3은 *-(CH2)n-*이고, n은 2 내지 10의 정수이고,
    R4 및 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1~C4 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고,
    *은 치환기의 결합부위이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 n은 4 내지 8의 정수이고,
    R4 및 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 메틸 또는 에틸인 것을 특징으로 하는 신규 페난스롤린계 화합물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 R1 및 R2는 각각 인 것을 특징으로 하는 신규 페난스롤린계 화합물.
  4. 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이,
    용매, 염기 및 촉매 하에서 할로겐 치환기를 갖는 화학식 2의 페난스롤린 화합물을 스즈키 반응시켜 화학식 3의 화합물을 제조하는 단계(S10); 및
    상기 화학식 3의 화합물을 아미노화 반응시켜 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계(S20)를 포함하는 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법.
    [반응식 1]

    (상기 반응식 1에서,
    R3 내지 R5는 각각 제1항의 화학식 1에서 정의된 바와 같다.)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 S10 단계는 화학식 2의 페난스롤린 화합물을 말단에 할로겐 치환기를 갖는 다이옥소보레인 화합물과 스즈키 반응시켜 화학식 3의 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 S10 단계의 반응은 80~120℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 S20 단계는 화학식 3의 화합물을 유기용매에 용해시킨 후, 아민 화합물을 첨가하여 반응시킴으로써 화학식 1의 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 S20 단계의 반응은 -100 내지 -50℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 신규 페난스롤린계 화합물의 제조방법.
  9. 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극;
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층 또는 발광층; 및
    상기 광활성층 또는 발광층과 제2 전극 사이에 위치하는, 하기 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층;을 포함하는 광전자 소자.
    [화학식 1]

    (상기 화학식 1에서,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로 이고,
    R3은 *-(CH2)n-*이고, n은 2 내지 10의 정수이고,
    R4 및 R5는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1~C4 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고,
    *은 치환기의 결합부위이다.)
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광전자 소자는 페로브스카이트 태양전지이되,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 정공전달층;
    상기 정공전달층 상에 형성된 페로브스카이트 광활성층;
    상기 페로브스카이트 광활성층 상에 형성된 전자전달층;
    상기 전자전달층 상에 형성된, 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층; 및
    상기 패시베이션층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 광전자 소자는 페로브스카이트 발광소자이되,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 정공전달층;
    상기 정공전달층 상에 형성된 페로브스카이트 발광층;
    상기 페로브스카이트 발광층 상에 형성된 전자전달층;
    상기 전자전달층 상에 형성된, 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층; 및
    상기 패시베이션층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 페로브스카이트 발광소자인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 광전자 소자는 유기 태양전지이되,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 정공전달층;
    상기 정공전달층 상에 형성된 유기 광활성층;
    상기 유기 광활성층 상에 형성된, 화학식 1의 신규 페난스롤린계 화합물을 포함하는 패시베이션층; 및
    상기 패시베이션층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 유기 태양전지인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 두께가 10 nm 이하인 초박막인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 n-형 유기물의 결함을 억제하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  15. 제10항에 있어서,
    광안정성에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양전지를 빛에 노출시키고 maximum power point tracking 방법으로 측정하였을 경우, 40시간이 지나도 태양전지의 성능이 초기효율 대비 90%가 유지되는 것을 특징으로 하는, 광전자 소자.
  16. 제12항에 있어서,
    광안정성에 있어서, 상기 유기 태양전지를 빛에 노출시키고 전류-전압 곡선을 일정 간격으로 측정하는 방법으로 측정하였을 경우, 40시간이 지나도 태양전지의 성능이 초기효율 대비 90%가 유지되는 것을 특징으로 하는, 광전자 소자.
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