KR20080108475A - High performance polymer photovoltaics - Google Patents
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Abstract
Description
화석 연료에 대한 의존성을 진정으로 줄일 재생 에너지의 실제적인 출처에 대한 경제적인 필요가 존재한다. 규소계 태양 에너지 시스템은 수년간 가능성 있는 후보의 노릇을 해왔다. 그러나, 규소 제조 공정의 자본 집약적인 성질은 상업적 성공이 상당히 부족한 비용 구조의 원인이 된다. 본질적으로 전도성인 중합체(ICP)(또는 폴리아세틸렌, 폴리티오펜 또는 폴리(페닐렌 비닐렌)과 같은 전도성 중합체 또는 공액 중합체)는 상당히 더 저렴한 비용의 장치로서 큰 가능성을 나타내는데, 이들 중합체는 종래의 인쇄 공정의 잉크와 같이 취급할 수 있기 때문이다. 다용도성 기술 플랫폼(flatform)을 갖는 전도성 중합체 태양 전지의 상용화로 태양 전지 성능을 추진할 필요가 있다.There is an economic need for a practical source of renewable energy that will truly reduce the dependence on fossil fuels. Silicon-based solar energy systems have been a potential candidate for years. However, the capital-intensive nature of the silicon manufacturing process contributes to the cost structure, which lacks significant commercial success. Intrinsically conductive polymers (ICPs) (or conductive polymers or conjugated polymers such as polyacetylene, polythiophene or poly (phenylene vinylene)) represent great potential as significantly lower cost devices, which are conventional It is because it can handle like ink of a printing process. There is a need to promote solar cell performance with the commercialization of conductive polymer solar cells with a versatile technology platform.
대체 에너지원, 특히 재생 에너지는 현재 에너지원으로부터 생긴 기능적 및 비용 경계를 극적으로 변화시키려고 하고 있다. 이러한 필요는 비용의 급속한 증가, 환경적 충격 및 세계의 화석 연료에 대한 의존의 지정학적 의미에 의해 강조된다. 세계로부터(예컨대, 교토) 지방 수준의 규정은 비용 효율적인 재생 에너지 공급에 대한 요구를 증가시키고 있다. 태양 광선을 사용하여 동력을 생성하는 것은 매력적인 무공해 재생 에너지원을 나타낸다.Alternative energy sources, particularly renewable energy, are currently trying to dramatically change the functional and cost boundaries resulting from energy sources. This need is highlighted by the rapid increase in costs, environmental impact and the geopolitical implications of dependence on fossil fuels around the world. Provincial level regulations from the world (eg Kyoto) are increasing the demand for cost-effective renewable energy supply. Generating power using the sun's rays represents an attractive pollution-free renewable energy source.
예를 들어 (1) 휴대용 전자장치 제조사/소비자(전지 충전의 태양 기술은 장 치 중량 및 크기를 감소시키고 사용 시간을 연장시킬 것임); (2) 가구내 소비자(태양 기술은 전체적인 동력 소비를 줄일 것이고 현재 접근할 수 없는 수백만의 세대에 전기를 제공할 수 있음); 및 (3) 정부 및 산업(태양 산업은 화석 연료에 대한 의존성을 줄이고 환경적 목적을 충족시킬 것임)을 비롯한 많은 구매자들은 태양 기술로부터 이득을 얻을 수 있다.For example: (1) handheld electronics manufacturer / consumer (solar technology of battery charging will reduce device weight and size and prolong usage time); (2) consumers in households (solar technology will reduce overall power consumption and can provide electricity to millions of generations currently inaccessible); And (3) many buyers, including government and industry (solar industry will reduce its dependence on fossil fuels and meet environmental objectives) can benefit from solar technology.
50년 전에 처음 입증된 규소계 태양 전지(문헌[Perlin, John "The Silicon Solar Cell Turns 50" NREL 2004)])는 현재 50억 태양 전지 시장에서 제1의 기술이다. 그러나, 이 기술의 설치 비용은 전통적인 동력원의 설치 비용보다 대략 5배 내지 10배이다. 따라서, 그의 비용/성능 구조는 광범위한 시장 채용을 촉진하지 않는다. 그 결과, 태양 에너지는 미국의 현 에너지 공급의 1% 미만을 차지한다. 이 범위를 확대하고 재생 에너지원에 대한 필요 증대를 충족시키기 위하여, 새로운 대체 기술이 필요하다.Silicon-based solar cells first demonstrated 50 years ago (Perlin, John "The Silicon Solar Cell Turns 50" NREL 2004)) are now the first technology in the 5 billion solar cell market. However, the installation cost of this technique is approximately 5 to 10 times the installation cost of a traditional power source. Thus, its cost / performance structure does not facilitate wide market adoption. As a result, solar energy accounts for less than 1% of the country's current energy supply. In order to expand this range and meet the growing need for renewable energy sources, new alternative technologies are needed.
전도성 중합체는 기존의 태양 전지의 비용/성능 장벽을 상당히 줄이도록 약속하는 신세대 태양 전지의 중요 성분이다. 전도성 중합체 태양 전지의 제1 이점은 코어 물질 및 그 장치 자체가 저비용으로 제조될 수 있다는 것이다. 플라스틱과 유사한 코어 물질은 표준의 열 조건하에 산업적 규모의 반응기에서 만들어진다. 이들은 박막으로 성형 가공되는 용액이거나 또는 표준의 인쇄 기법에 의해 인쇄되는 용액일 수 있다. 따라서, 제조 공장의 비용이 규소 제조 설비보다 덜 비싼 크기이다. 이는 낮은 총 비용 태양 전지 제조 플랫폼을 생성한다. 또한, 전도성 중합체 태양 기술은 규소계 태양 전지에 비하여 융통성있는 경량 디자인 이점을 제공 한다. 이 기술은 상당히 가망있지만, 상용화라는 장애물이 남아 있다. 바라건대 조성을 최소로 변화시키면서 실질적으로 성능을 개선시키는 조성물을 찾을 필요가 있다.Conductive polymers are an important component of new generation solar cells that promise to significantly reduce the cost / performance barriers of existing solar cells. The first advantage of the conductive polymer solar cell is that the core material and the device itself can be manufactured at low cost. Core materials similar to plastics are made in industrial scale reactors under standard thermal conditions. These may be solutions that are molded into thin films or may be solutions printed by standard printing techniques. Thus, the cost of the manufacturing plant is less expensive than the silicon manufacturing equipment. This creates a low total cost solar cell manufacturing platform. In addition, conductive polymer solar technology offers flexible, lightweight design advantages over silicon-based solar cells. This technology is very promising, but the obstacles of commercialization remain. Hopefully, there is a need to find a composition that substantially improves performance with minimal changes in composition.
폴리티오펜은 광전지 장치에 고분자량 물질로서 및/또는 일반적으로 넓은 분자량 분포로 사용되어 왔다. 예를 들어, 한 참조문헌에는 87,000의 분자량으로 보고된 폴리티오펜을 사용하는 광전지가 기술되어 있다. 문헌[Reyes-Reyes et al, Applied Physics Letters, 87, 083506(2005)]을 참조한다. 다른 참조문헌에는 보고된 분자량이 21,100인 폴리티오펜을 사용하는 광전지가 기술되어 있다. 문헌[Kim et al, Applied Physics Letters, 86, 063502, (2005)]을 참조한다. 다른 참조문헌에는 보고된 분자량이 100,000인 폴리티오펜을 사용하는 광전지가 기술되어 있다. 문헌[Yang et al., NanoLetters, 2005, vol.5, no.4, 579-583]을 참조한다. 분자량 및 다분산성은 종종 충격 성능의 중요한 변수로서 인지되지 않았지만, 많은 경우에 있어서 분자량이 클수록 바람직하거나 필요하다고 교시되거나 제안되거나 직접 나타내진다. 예를 들어 (1) 문헌[Schilinsky, P. et al., Chem . Mater . 2005, 17(8), 2175-2180]; (2) 문헌[Kline, R. et al., Macromolecules (2005), 38(8), 3312-3319]; (3) 문헌[Nether, et al., Adv . Funct . Mater . 2004, 14, 757-794]을 참조한다. 또한, 분획화는 분자량을 제어하는 상업적으로 매력적인 방법이 아니다.Polythiophenes have been used in photovoltaic devices as high molecular weight materials and / or generally in a broad molecular weight distribution. For example, one reference describes a photovoltaic cell using polythiophene reported at a molecular weight of 87,000. Reyes-Reyes et al, Applied Physics Letters , 87, 083506 (2005). Other references describe photovoltaic cells using polythiophenes having a reported molecular weight of 21,100. Kim et al, Applied Physics Letters , 86, 063502, (2005). Other references describe photovoltaic cells using polythiophenes having a reported molecular weight of 100,000. See Yang et al., Nano Letters , 2005, vol. 5, no. 4, 579-583. Molecular weight and polydispersity are often not recognized as important parameters of impact performance, but in many cases higher molecular weights are taught, suggested, or indicated as desirable or necessary. See, eg, (1) Schilinsky, P. et al., Chem . Mater . 2005, 17 (8), 2175-2180; (2) Kline, R. et al., Macromolecules (2005), 38 (8), 3312-3319; (3) Nether, et al., Adv . Funct . Mater . 2004, 14, 757-794. In addition, fractionation is not a commercially attractive method of controlling molecular weight.
중합체 미소구조 및 형태와 관련하여 고활성 층 PV 성능을 달성하는 방법을 더 잘 이해할 필요가 있다.There is a need to better understand how to achieve high active layer PV performance in terms of polymer microstructure and morphology.
발명의 요약Summary of the Invention
본 발명의 하나 이상의 이점은 중합체 화학의 제어 사용에 의한 효율 및 전류 밀도를 포함한 개선된 광전지 성능을 포함한다. 또한, 개선된 가공 및 다용도성이 달성될 수 있다.One or more advantages of the present invention include improved photovoltaic performance, including current density and efficiency by controlled use of polymer chemistry. In addition, improved processing and versatility can be achieved.
하나의 실시양태에서, 본 발명은 클로로포름내에서 겔 투과 크로마토그래피에 의해 측정한 수 평균 분자량이 약 9,000 이하인 하나 이상의 위치규칙성 폴리티오펜, 하나 이상의 n-형 반도체를 포함하는 조성물을 제공한다.In one embodiment, the present invention provides a composition comprising at least one regioregular polythiophene, at least one n-type semiconductor, having a number average molecular weight of about 9,000 or less as determined by gel permeation chromatography in chloroform.
다른 실시양태에서, 본 발명은 다수의 전극; 및 클로로포름내에서 겔 투과 크로마토그래피에 의해 측정한 수 평균 분자량이 약 9,000 이하인 하나 이상의 위치규칙성 폴리티오펜 및 하나 이상의 n형 반도체를 포함하는 하나 이상의 활성층을 포함하는 광전지 장치를 제공한다.In another embodiment, the invention provides a plurality of electrodes; And at least one active layer comprising at least one regioregular polythiophene having at least about 9,000 number of molecular weight and at least one n-type semiconductor as measured by gel permeation chromatography in chloroform.
다른 실시양태에서, 본 발명은 클로로포름내에서 겔 투과 크로마토그래피에 의해 측정한 수 평균 분자량이 약 9,000 이하인 하나 이상의 위치규칙성 폴리티오펜; 하나 이상의 n형 반도체; 및 하나 이상의 할로겐화 방향족 용매를 포함하는 조성물을 제공한다.In another embodiment, the present invention provides a composition comprising one or more regioregular polythiophenes having a number average molecular weight of about 9,000 or less as determined by gel permeation chromatography in chloroform; One or more n-type semiconductors; And one or more halogenated aromatic solvents.
다른 실시양태에서, 본 발명은, (i) 클로로포름내에서 겔 투과 크로마토그래피에 의해 측정한 수 평균 분자량이 약 9,000 이하인 하나 이상의 위치규칙성 폴리티오펜; (ii) 하나 이상의 n형 반도체, 및 (iii) 하나 이상의 할로겐화 방향족 용매를 포함하는 조성물을 제조하고; 용매를 제거하여 위치규칙성 폴리티오펜 및 n형 반도체를 포함하는 필름을 제조하고; 필름을 어닐링(annealing)함을 포함하는, 필 름을 형성하는 방법을 제공한다.In another embodiment, the present invention provides a composition comprising (i) at least one regioregular polythiophene having a number average molecular weight of about 9,000 or less as determined by gel permeation chromatography in chloroform; preparing a composition comprising (ii) at least one n-type semiconductor and (iii) at least one halogenated aromatic solvent; Removing the solvent to prepare a film comprising regioregular polythiophene and an n-type semiconductor; A method of forming a film is provided that includes annealing a film.
가장 바람직한 성능을 달성하기 위한 바람직한 실시양태에서, 수 평균 분자량은 클로로포름내에서 GPC에 의해 측정하였을 때 약 6,000 내지 9,000이다. 또한, 폴리티오펜은 다분산도가 약 1.1 내지 약 1.5일 수 있다.In a preferred embodiment to achieve the most desirable performance, the number average molecular weight is about 6,000 to 9,000 as measured by GPC in chloroform. In addition, the polythiophene may have a polydispersity of about 1.1 to about 1.5.
도 1은 전형적인 전도성 중합체 광전지(태양) 전지를 도시한다.1 illustrates a typical conductive polymer photovoltaic (solar) cell.
도 2는 p/n 접합의 기저 상태(왼쪽) 및 여기자 형성 및 해리(오른쪽)를 도시한다. 여기자는 결합된 정공(+) 및 전자(-)이다. 화살표는 n형 물질로의 전자의 해리 및 알루미늄 음극을 통한 장치의 전도를 가리킨다. 정공(+)은 ITO 양극으로 전도된다. 생성된 에너지는 전하 q 곱하기 개회로 전압 Voc에 의해 제공된다.2 shows the ground state (left) and exciton formation and dissociation (right) of the p / n junction. The excitons are bonded holes (+) and electrons (-). Arrows indicate dissociation of electrons into the n-type material and conduction of the device through the aluminum cathode. Holes (+) are conducted to the ITO anode. The energy generated is provided by the charge q times the open circuit voltage V oc .
도 3은 실시예 1의 전류 전압 곡선을 도시한다.3 shows the current voltage curve of Example 1. FIG.
도 4는 실시예 2(비교예)의 전류 전압 곡선을 도시한다.4 shows a current voltage curve of Example 2 (comparative).
도 5는 실시예 3의 전류 전압 곡선을 도시한다.5 shows the current voltage curve of Example 3. FIG.
본원에 언급된 모든 참조문헌은 본원에 참조로 인용되어 있다.All references mentioned herein are incorporated herein by reference.
폴리아세틸렌, 폴리(p-페닐렌), 폴리(p-페닐렌 술파이드), 폴리피롤 및 폴리티오펜을 포함한 전기 전도성 중합체는 본원에 참조로 인용된 문헌[The Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Wiley, 1990, pages 298-300]에 기술되어 있다. 이 참조문헌은 또한 블록 공중합체 형성을 포함한, 중합체의 배합 및 공중합을 기술하고 있다.Electrically conductive polymers, including polyacetylene, poly (p-phenylene), poly (p-phenylene sulfide), polypyrrole and polythiophene, are described in The Encyclopedia of Polymer Science and Engineering , Wiley, 1990, pages 298-300. This reference also describes the blending and copolymerization of polymers, including block copolymer formation.
하나의 실시양태에서, 본 발명은 겔 투과 크로마토그래피에 의해 측정된 수 평균 분자량이 약 15,000 이하인 하나 이상의 위치규칙성 폴리티오펜, 및 하나 이상의 n형 반도체를 포함하는 조성물을 제공한다. 이 조성물은 광전지 장치의 활성 층으로서 사용될 수 있다.In one embodiment, the present invention provides a composition comprising at least one regioregular polythiophene having a number average molecular weight of about 15,000 or less as determined by gel permeation chromatography, and at least one n-type semiconductor. This composition can be used as the active layer of a photovoltaic device.
광전지/태양 전지 장치Photovoltaic / solar cell device
태양 전지는 일반적으로 몇몇 바람직한 실시양태를 포함하여 기술되어 있다. 전통적인 전도성 중합체 태양 전지는 5가지의 성분을 포함할 수 있다(예를 들어, 도 1 참조). 플라스틱 또는 유리 위에 코팅된 산화 인듐 주석(ITO)과 같은 투명 전극이 양극으로서 기능할 수 있다. 그 두께는 약 100 ㎚일 수 있고, 태양 전지에 빛이 들어가게 한다. 양극은 100 ㎚의 정공 주입 층(HIL)으로 코팅될 수 있다. HIL은 ITO 표면을 평탄화하고, 광수확 층으로부터 양극으로의 양전하 운반체(정공)의 수집을 촉진할 수 있다. 반대 전극 또는 음극은 칼슘 또는 알루미늄과 같음 금속으로 이루어질 수 있고, 전형적으로 예를 들어 두께가 70 ㎚ 이상이다. 이것은 수명 및 성능을 증가시킬 수 있는 얇은 콘디쇼닝(conditioning) 층(예컨대, 플루오르화 리튬 1 ㎚ 미만)을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 음극은 가요성 플라스틱 또는 유리 시이트와 같은 지지 표면 위에 코팅될 수 있다. 이 전극은 태양 전지 밖으로 전자를 옮기고 전기 회로를 완성할 수 있다.Solar cells are generally described including some preferred embodiments. Traditional conductive polymer solar cells can include five components (see, eg, FIG. 1). Transparent electrodes such as indium tin oxide (ITO) coated on plastic or glass can function as the anode. The thickness can be about 100 nm, allowing light to enter the solar cell. The anode can be coated with a 100 nm hole injection layer (HIL). HIL may planarize the surface of the ITO and facilitate the collection of positive charge carriers (holes) from the light harvesting layer to the anode. The counter electrode or cathode may be made of a metal such as calcium or aluminum and is typically at least 70 nm thick, for example. This may include a thin conditioning layer (eg, less than 1 nm of lithium fluoride) that may increase lifetime and performance. In some cases, the negative electrode may be coated on a support surface, such as a flexible plastic or glass sheet. This electrode can carry electrons out of the solar cell and complete the electrical circuit.
이들 전극 사이에 p형 및 n형 반도체(약 100 ㎚ 두께)의 접합이 있을 수 있다. p형 물질을 종종 광수확 성분으로 부른다. 이 물질은 그의 "기저" 상태로부터 여기된 에너지 상태로 전자에 에너지를 가하는 광자(빛)를 흡수하여, 양전하 또는 "정공"을 남길 수 있다. 이러한 전자-정공 조합은 함께 결합하여 소위 "여기자"를 형성한다(예를 들어, 도 2 참조).There may be junctions of p-type and n-type semiconductors (about 100 nm thick) between these electrodes. P-type materials are often called light harvesting components. This material can absorb photons (light) that energize electrons from its "base" state to an excited energy state, leaving a positive charge or "hole". These electron-hole combinations combine together to form a so-called “exciton” (see, eg, FIG. 2).
여기자는 p형과 n형 물질 사이의 접합부로 확산하는데, 여기에서 전하가 분리될 수 있다. 그 다음, 전자 및 "정공" 전하는 각각 n형 및 p형 물질을 통해 전극으로 전도되어 전지의 밖으로 전류의 흐름이 생성된다. n형 성분은, 예를 들어 이후 더 상세히 기술되는 바와 같이, 탄소 풀러렌, 그의 유도체, 이산화 티탄, 또는 셀렌화 카드뮴과 같은 강한 전자 친화성을 갖는 물질을 포함할 수 있다.The excitons diffuse into the junction between the p-type and n-type materials, where the charge can be separated. The electron and "hole" charges are then conducted to the electrode through the n-type and p-type materials, respectively, to create a flow of current out of the cell. The n-type component may include a material having strong electron affinity such as, for example, carbon fullerene, derivatives thereof, titanium dioxide, or cadmium selenide, as described in more detail below.
p/n 접합부의 형태는 태양 전지 성능에 중요할 수 있다. 여기자는 p형 반도체내에서 형성되어 확산될 수 있다. 예를 들어, 문헌[Chirvase et al., Nanotechnology, 15(2004) 1317-1323]을 참조한다. 그러나, 이들은 전하들이 기저 상태로 다시 이완되거나 다른 과정을 통해 "캔칭"하기 전에 분리될 수 있는 n형 및 p형 물질의 계면에 도달하여야 한다. 여기자의 확산 길이는 나노미터에 속하고, 따라서 이상적인 접합은 거시적으로 상호 침투되는 "벌크 비균질접합(bulk heterojunction)"이지만, 미시적으로는 연결된 상-분리 도메인을 갖는다.The shape of the p / n junction can be important for solar cell performance. The excitons can be formed and diffused in the p-type semiconductor. See, eg, Chirvase et al., Nanotechnology , 15 (2004) 1317-1323. However, they must reach the interface of the n-type and p-type materials, which can be separated before the charges relax back to the ground state or “canch” through other processes. The diffusion length of the excitons is in nanometers, so the ideal junction is a "bulk heterojunction" that is macroscopically interpenetrating, but microscopically has a linked phase-separation domain.
본 발명의 다양한 실시양태의 실시에, 배경기술 부분에 언급된 참조문헌 이외에 하기 참조문헌을 사용할 수 있다: (1) 문헌[Brabec, et al. Adv . Func . Mater. 2001, 11, 374-380]; (2) 문헌[Sariciftci, N. S. Curr . Opinion in Solid State and Materials Science, 1999, 4, 373-378]; (3) 문헌[Sariciftci, N. Materials Today 2004, 36]; (4) 문헌[Hoppe, H.; Sariciftci, N. S. J. Mater . Res. 2004, 19, 1924]; (5) 문헌[Nakamura et al., Applied Phsics Letters, 87, 132105(2005)]; (6) 문헌[Paddinger et al., Advanced Functional Materials, 2003, 13, No.1, January, 85]; (7) 문헌[Kim et al., Photovoltaic Materials and Phenomena Scell-2004, 1371], (8) 문헌[J. Mater . Res ., Vol. 20, No. 12, Dec. 2005, 3224]; (9) 문헌[Inoue et al., Mater . Res . Soc . Symp . Proc ., vol. 836, L.3.2.1]; (10) 문헌[Li et al., J. Applied Physics, 98, 043704(2005)].In the practice of various embodiments of the present invention, the following references may be used in addition to the references mentioned in the Background section: (1) Brabec, et al. Adv . Func . Mater. 2001, 11, 374-380; (2) Sariciftci, NS Curr . Opinion in Solid State and Materials Science , 1999, 4, 373-378; (3) Sariciftci, N. Materials Today 2004, 36; (4) Hoppe, H .; Sariciftci, NS J. Mater . Res. 2004, 19, 1924; (5) Nakamura et al., Applied Phsics Letters , 87, 132 105 (2005); (6) Paddinger et al., Advanced Functional Materials , 2003, 13, No. 1, January, 85; (7) Kim et al., Photovoltaic Materials and Phenomena Scell- 2004, 1371, (8) J. Mater . Res . , Vol. 20, No. 12, Dec. 2005, 3224; (9) Inoue et al., Mater . Res . Soc . Symp . Proc . , vol. 836, L. 3.2.1; (10) Li et al., J. Applied Physics , 98, 043704 (2005)].
위치규칙성 폴리티오펜Regioregular polythiophene
위치규칙성 폴리티오펜은 당업계에 공지되어 있다. 이들은 단독중합체 또는 블록 공중합체를 포함한 공중합체일 수 있다. 위치규칙성 폴리티오펜은 3-알킬 또는 3-알콕시 폴리티오펜을 포함한 3-치환된 폴리티오펜을 포함할 수 있다. 측기는 산소 및 황을 포함한 헤테로원자로 치환될 수 있다. 위치규칙성 폴리티오펜은 유기 용매에 가용성일 수 있다. 위치규칙성의 정도는, 예를 들어 85% 이상, 또는 90% 이상, 또는 95% 이상, 또는 98% 이상일 수 있다.Regioregular polythiophenes are known in the art. These may be copolymers including homopolymers or block copolymers. Regioregular polythiophenes can include 3-substituted polythiophenes, including 3-alkyl or 3-alkoxy polythiophenes. The side groups can be substituted with heteroatoms including oxygen and sulfur. Regioregular polythiophenes may be soluble in organic solvents. The degree of regioregularity may be, for example, at least 85%, or at least 90%, or at least 95%, or at least 98%.
특히, 이들 폴리티오펜의 광전지 용도는, 예를 들어 본원에 참조로 인용된, 윌리엄스(Williams) 등에게 허여된, 2005년 3월 16일자로 출원된 미국 가출원 제60/661,9934호 및 윌리엄스 등에게 허여된, 2005년 9월 26일자로 출원된 미국 정시 출원 제11/234,373호에 기술되어 있다.In particular, photovoltaic applications of these polythiophenes are described, for example, in US Provisional Application No. 60 / 661,9934 and Williams, filed March 16, 2005, to Williams et al., Which is incorporated herein by reference. 1,234,373, filed September 26, 2005, and the like.
또한, 측기를 갖는 위치규칙성 폴리티오펜을 포함한 합성 방법, 도핑 및 중합체 특징화는, 예를 들어 본원에 참조로 인용된, 미국 특허 제6,602,974호(McCullough et al.)(블록 공중합체 및 나노와이어 형태를 기술함) 및 미국 특허 제6,166,172호(McCullough et al.)(GRIM 중합 방법을 기술함)에 제공되어 있다. 추가의 기술은 본원에 참조로 인용된 논문["The Chemistry of Conducting Polythiophenes", by Richard D. McCullough, Adv . Mater . 1998, 10, No. 2, pages 93-116] 및 그 안에 언급된 참조문헌에서 찾을 수 있다. 당업자가 사용할 수 있는 다른 참조문헌은 본원에 참조로 인용된 문헌[Handbook of Conducting Polymer , 2 nd Ed. 1998, Chapter 9, by McCullough et al., "Regioregular, Head-to-Tail Coupled Poly(3-alkylthiophene) and its Derivatives," pages 225-258]이다. 이 참조문헌은 또한 문헌[chapter 29, "Electroluminescence in Counjugated Polymers" at pages 823-846]에 기술하고 있고, 본원에 참조로 인용되어 있다. 추가의 참조문헌으로는 문헌[McCullough, R. D.; Lowe, R. S. J. Chem . Soc ., Chem . Commun. 1992, 70]; [McCullough, R. D.; Lowe, R. D.; Jayaraman, M.; Anderson, D. L. J. Org . Chem . 1993, 58, 904]; [Lowe, R. S.; Khersonsky, S. M.; McCullough, R. D. Adv . Mater . 1999, 11, 250]; [McCullough, R. d.; Tristram-Nagle, S.; Williams, S. P.; Lowe, R. D.; Jayaraman, M. J. Am . Chem . Soc . 1993, 115, 4910]이 있다.In addition, synthetic methods, doping and polymer characterization, including regioregular polythiophenes with side groups, are described, for example, in US Pat. No. 6,602,974 (McCullough et al.) (Block copolymers and nanoparticles). Wire form) and US Pat. No. 6,166,172 (McCullough et al., Describing GRIM polymerization method). Additional techniques are described in the article "The Chemistry of Conducting Polythiophenes", by Richard D. McCullough, Adv . Mater . 1998, 10, No. 2, pages 93-116 and references cited therein. Other references available to those of skill in the art can be found in the Handbook , incorporated herein by reference. of Conducting Polymer , 2 nd Ed. 1998, Chapter 9, by McCullough et al., "Regioregular, Head-to-Tail Coupled Poly (3-alkylthiophene) and its Derivatives," pages 225-258. This reference is also described in chapter 29, "Electroluminescence in Counjugated Polymers" at pages 823-846, incorporated herein by reference. Additional references include McCullough, RD; Lowe, RS J. Chem . Soc , Chem . Commun. 1992, 70; McCullough, RD; Lowe, RD; Jayaraman, M .; Anderson, DL J. Org . Chem . 1993, 58, 904; Lowe, RS; Khersonsky, SM; McCullough, RD Adv . Mater . 1999, 11, 250; McCullough, R. d .; Tristram-Nagle, S .; Williams, SP; Lowe, RD; Jayaraman, M. J. Am . Chem . Soc . 1993, 115, 4910.
폴리티오펜은, 예를 들어 문헌[Roncali, J., Chem . Rev, 1992, 92, 711]; [Shopf et al., Polythiophenes : Electrically Conductive Polymers, Springer: Berlin, 1997]에 기술되어 있다.Polythiophenes are described, for example, in Roncali, J., Chem . Rev , 1992, 92, 711; Shopf et al., Polythiophenes : Electrically Conductive Polymers , Springer: Berlin, 1997.
중합체성 반도체는, 예를 들어 본원에 참조로 인용된 문헌["Organic Transistor Semiconductors" by Katz et al., Accounts of Chemical Research, vol. 34, no. 5, 2001, page 359, pages 265-367]에 기술되어 있다.Polymeric semiconductors are described, for example, in "Organic Transistor Semiconductors" by Katz et al., Accounts of Chemical Research , vol. 34, no. 5, 2001, page 359, pages 265-367.
블록 공중합체는, 예를 들어 문헌[Block Copolymers , Overview and Critical Survey, by Noshay and McGrath, Academic Press, 1977]에 기술되어 있다. 예를 들어, 이 문헌에는 A-B 2블록 공중합체(5장), A-B-A 3블록 공중합체(6장) 및 -(AB)n- 다블록 공중합체(7장)가 기술되어 있는데, 이들은 본 발명의 블록 공중합체 유형의 기본을 형성할 수 있다.Block copolymers are described, for example, in Block Copolymers , Overview and Critical Survey , by Noshay and McGrath, Academic Press, 1977. For example, this document describes AB diblock copolymers (Chapter 5), ABA triblock copolymers (Chapter 6) and-(AB) n -multiblock copolymers (Chapter 7), which are described herein. It can form the basis of the block copolymer type.
폴리티오펜을 포함한 추가의 블록 공중합체는, 예를 들어 본원에 참조로 인용된 문헌[Francois et al, Synth . Met . 1995, 69, 463-466]; [Yang et al., Macromolecules 1993, 26, 1188-1190]; [Widawski etl, Nature ( London ), vol. 369, June 2, 1994, 387-389]; [Jenekhe et al., Science, 279, March 20, 1998, 1903-1907]; [Wang et al., J. Am . Chem ., Soc . 2000, 122, 6855-6861]; [Li et al., Macromolecules 1999, 32, 3034-3044]; [Hempenius et al., J. Am . Chem . Soc . 1998, 120, 2798-2804]에 기술되어 있다.Further block copolymers, including polythiophenes, are described, for example, in Francois et al, Synth . Met . 1995, 69, 463-466; Yang et al., Macromolecules 1993, 26, 1188-1190; Waiwski etl, Nature ( London ) , vol. 369, June 2, 1994, 387-389; Jenekhe et al., Science , 279, March 20, 1998, 1903-1907; Wang et al., J. Am . Chem ., Soc . 2000, 122, 6855-6861; Li et al., Macromolecules 1999, 32, 3034-3044; Hempenius et al., J. Am . Chem . Soc . 1998, 120, 2798-2804.
분자량Molecular Weight
중합체 분자량 및 그의 겔 투과 크로마토그래피 측정은 당업계에 공지되어 있다: 예를 들어 문헌[Billmeyer, Textbook of Polymer Science, 3rd Ed., 1984, including chapter one]; [Allcock & Lampe, Contemporary polymer Chemistry, 1981 including chapters 14 and 15]을 참조한다.Polymer molecular weight and its gel permeation chromatography measurements are known in the art: see, eg, Billmeyer, Textbook of Polymer Science , 3 rd Ed., 1984, including chapter one; Allcock & Lampe, Contemporary polymer Chemistry , 1981 including chapters 14 and 15.
하나 이상의 위치규칙성 폴리티오펜은 수 평균 부자량이 약 9,000 이하일 수 있다. 수 평균 분자량은, 예를 들어 약 1,000 내지 약 9,000, 또는 약 2,500 내지 약 9,000, 또는 약 6,000 내지 약 9,000, 또는 약 7,000 내지 약 9,000일 수 있다. 분자량은 실시예에 기술되어 있거나 또는 실시예와 실질적으로 유사한 방법에 의해 GPC 및 클로로포름 용매를 사용하여 당업자가 알고 있는 대로 측정된다. 이는 PV 성능에 대한 충격을 비교하기 위한 균일한 방법을 제공한다.The one or more regioregular polythiophenes may have a number average rich amount of about 9,000 or less. The number average molecular weight can be, for example, about 1,000 to about 9,000, or about 2,500 to about 9,000, or about 6,000 to about 9,000, or about 7,000 to about 9,000. Molecular weights are measured as known to those skilled in the art using GPC and chloroform solvent by methods described in the examples or substantially similar to the examples. This provides a uniform way to compare the impact on PV performance.
위치규칙성 폴리티오펜이 위치규칙성 폴리티오펜 분절 및 비위치규칙성 폴리티오펜 분절을 포함하는 블록 공중합체이라면, 중량 평균 분자량은 위치규칙성 폴리티오펜 분절의 중량을 가리킨다.If the regioregular polythiophene is a block copolymer comprising regioregular polythiophene segments and nonregioregular polythiophene segments, the weight average molecular weight refers to the weight of the regioregular polythiophene segments.
분자량 다분산도는, 예를 들어 약 1 내지 약 1.5, 또는 약 1.1 내지 약 1.5이도록 좁게 조절될 수 있다. 다분산도가 낮을수록 활성 층의 형태를 강화시켜 전하 이동성이 증가할 수 있다. 이는 곡선 인자 및 단락회로 전류를 증가시킬 수 있다.The molecular weight polydispersity can be narrowly adjusted to be, for example, about 1 to about 1.5, or about 1.1 to about 1.5. The lower the polydispersity, the more the charge mobility can be increased by strengthening the shape of the active layer. This can increase the curve factor and short circuit current.
도핑Doping
위치규칙성 폴리티오펜은 도핑없이 사용될 수 있다. 조성물은 도핑제의 첨가 없이 배합될 수 있다.Regioregular polythiophenes can be used without doping. The composition can be formulated without the addition of a dopant.
N형 반도체N-type semiconductor
n형 성분 또는 전자 수용체는 강한 전자 친화성, 우수한 전자 수용 특징을 갖는 물질, 예를 들어, 입자, 미립자, 나노입자, 무기 입자, 유기 입자 반도체 입자, 탄소 풀러렌, 풀러렌 유도체, 가용성 풀러렌, 이산화 티탄, 셀렌화 카드뮴, 및 페릴렌 또는 페릴렌 유도체를 포함할 수 있다. n형 반도체는 분자량이 약 2,000 g/㏖ 미만 또는 약 1,000 g/㏖ 미만인 분자 물질, 또는 비중합체성 물질일 수 있다. n형 성분은 위치규칙성 폴리티오펜과의 벌크 비균질접합 구조를 제공하는 임의의 성분일 수 있다. PCBM이 바람직한 예인데, PCBM의 구조는 당업계에 공지되어 있다. n형 반도체는 고속 전달, 우수한 안정성, 우수한 용해도 및 우수한 가공성을 제공하여야 한다.The n-type component or electron acceptor is a material having strong electron affinity, good electron accepting characteristics, for example particles, particulates, nanoparticles, inorganic particles, organic particle semiconductor particles, carbon fullerenes, fullerene derivatives, soluble fullerenes, titanium dioxide Cadmium selenide, and perylene or perylene derivatives. The n-type semiconductor may be a molecular material, or a nonpolymeric material, having a molecular weight of less than about 2,000 g / mol or less than about 1,000 g / mol. The n-type component can be any component that provides a bulk heterogeneous junction with the regioregular polythiophene. PCBM is a preferred example, the structure of the PCBM is known in the art. n-type semiconductors should provide high speed transfer, good stability, good solubility and good processability.
풀러렌 및 풀러렌 유도체 유형의 n형 반도체는, 본원에 참조로 인용된, 미국 특허 제5,454,880호 및 제5,331,183호(Sariciftci et al.)에서 찾을 수 있다. 다른 n형 반도체는 본원에 언급된 참조문헌에 기술되어 있다.N-type semiconductors of the fullerene and fullerene derivative types can be found in US Pat. Nos. 5,454,880 and 5,331,183 (Sariciftci et al.), Which is incorporated herein by reference. Other n-type semiconductors are described in the references mentioned herein.
성분의 양Quantity of ingredients
위치규칙성 폴리티오펜과 n형 반도체의 중량비를 조절하여 바람직한 광전지 효과를 달성할 수 있다. 예를 들어, 중량비는 약 4:1 내지 약 0.5:1, 또는 약 3:1 내지 약 0.5:1, 또는 약 2.5:1 내지 약 1:1일 수 있다. 그 양은, 예를 들어 분자량, 용매 선택, 주조 또는 코팅 조건, 및 어닐링 온도 및 시간과 같은 하나 이상의 다른 변수에 맞출 수 있다.Desirable photovoltaic effects can be achieved by controlling the weight ratio of regioregular polythiophene and n-type semiconductor. For example, the weight ratio can be about 4: 1 to about 0.5: 1, or about 3: 1 to about 0.5: 1, or about 2.5: 1 to about 1: 1. The amount can be adapted to one or more other variables such as, for example, molecular weight, solvent selection, casting or coating conditions, and annealing temperature and time.
필름 성형/인쇄Film forming / printing
조성물을 박막 형태 및 인쇄 형태를 포함한 고체 형태로 변환시키는데 종래의 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 고체를 유기 용매를 포함한 하나 이상의 용매에 용해 또는 분산시키고, 롤 코팅하고, 스크린 인쇄하고, 스핀 주조 또는 잉크 젯 인쇄하고, 다른 공지의 방법에 의해 코팅 및 인쇄할 수 있다. 다른 방법은 본원에 언급된 참조문헌에 기술되어 있다.Conventional methods can be used to convert the compositions into solid forms, including thin and printed forms. For example, the solid can be dissolved or dispersed in one or more solvents, including organic solvents, roll coated, screen printed, spin cast or ink jet printed, coated and printed by other known methods. Other methods are described in the references mentioned herein.
배합 성형 및 필름 주조에 사용되는 용매는, 예를 들어 유기 용매, 방향족 용매(예: 톨루엔 또는 크실렌), 할로방향족 또는 할로겐화 방향족 용매, 염소화 방향족 용매, 염소화 용매(예: 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 클로로포름 또는 1,2-디클로로에탄)일 수 있다. 용액 또는 분산액의 고체 함량을 변화시켜 최상의 PV 특성 및 가공을 달성할 수 있다. 예를 들어, 고체 함량은 약 20% 내지 약 80%, 또는 30% 내지 약 70%일 수 있다.Solvents used in compound molding and film casting are, for example, organic solvents, aromatic solvents such as toluene or xylene, haloaromatic or halogenated aromatic solvents, chlorinated aromatic solvents, chlorinated solvents such as chlorobenzene, 1,2- Dichlorobenzene, chloroform or 1,2-dichloroethane). By varying the solids content of the solution or dispersion, the best PV properties and processing can be achieved. For example, the solids content can be about 20% to about 80%, or 30% to about 70%.
필름 두께는, 예를 들어 약 10 내지 약 500 ㎚, 또는 약 50 내지 약 250 ㎚, 또는 약 100 내지 약 200 ㎚일 수 있다.The film thickness can be, for example, about 10 to about 500 nm, or about 50 to about 250 nm, or about 100 to about 200 nm.
필름은 경우에 따라 열적으로 어닐링할 수 있다. 어닐링 온도 및 시간을 조절하여 바람직한 결과를 달성할 수 있다. 어닐링 온도는, 예를 들어 약 100 내지 약 170 ℃, 또는 약 105 내지 약 155 ℃일 수 있다. 어닐링 온도는 위치규칙성 폴리티오펜의 융점 아래일 수 있다. 어닐링 온도는, 예를 들어 위치규칙성 폴리티오펜의 유리전이온도보다 낮거나, 유리전이온도이거나 또는 유리전이온도보다 높을 수 있다. 어닐링 온도는, 예를 들어 유리전이온도보다 약 5 ℃ 내지 약 60 ℃ 높을 수 있다. 유리전이온도 및 융점은 n형 반도체의 존재에 의해 영향받을 수 있다. 예를 들어, 이들은 낮출 수 있다.The film may optionally be thermally annealed. Annealing temperature and time can be adjusted to achieve the desired results. The annealing temperature may be, for example, about 100 to about 170 ° C, or about 105 to about 155 ° C. The annealing temperature may be below the melting point of the regioregular polythiophene. The annealing temperature can be, for example, lower than the glass transition temperature of the regioregular polythiophene, higher than the glass transition temperature, or higher than the glass transition temperature. The annealing temperature may be, for example, about 5 ° C. to about 60 ° C. above the glass transition temperature. The glass transition temperature and melting point can be influenced by the presence of the n-type semiconductor. For example, they can be lowered.
장치 및 특성Device and characteristics
활성 층을 제조하면, 당업계에 공지되어 있고 하기 실시예에 설명된 방법에 의해 활성 층 특성을 측정할 수 있다. 이들 방법은 태양광 시뮬레이터(solar simulator)를 사용한 전류-전압 곡선의 측정을 포함할 수 있다. 장치 측정은 실온 또는 25 ℃에서 수행할 수 있다. 물질은 경우에 따라 캡슐화하고, 예를 들어 불활성 기체 조건하에 보관할 수 있다.Once the active layer is prepared, the active layer properties can be measured by methods known in the art and described in the Examples below. These methods can include the measurement of current-voltage curves using a solar simulator. Device measurements can be performed at room temperature or 25 ° C. The material can optionally be encapsulated and, for example, stored under inert gas conditions.
예를 들어, 개회로 전압(Voc)을 측정할 수 있고, 예를 들어 약 0.55 V 이상, 또는 약 0.58 V 이상, 또는 0.6 V 이상일 수 있다.For example, the open circuit voltage V oc can be measured and can be, for example, about 0.55 V or more, or about 0.58 V or more, or 0.6 V or more.
단락회로 전류(Isc)를 측정할 수 있고, 예를 들어 약 6 ㎃/㎠ 이상, 또는 약 7.7 ㎃/㎠ 이상, 또는 약 9 ㎃/㎠ 이상, 또는 약 12 ㎃/㎠ 이상일 수 있다.The short circuit current I sc can be measured and can be, for example, at least about 6 mA / cm 2, or at least about 7.7 mA / cm 2, or at least about 9 mA / cm 2, or at least about 12 mA / cm 2.
곡선 인자(Fill factor, FF)를 측정할 수 있고, 예를 들어 약 0.4 이상, 또는 약 0.56 이상, 또는 약 0.6 이상일 수 있다.Fill factor (FF) can be measured and can be, for example, at least about 0.4, or at least about 0.56, or at least about 0.6.
효율(E)을 측정할 수 있고, 예를 들어, 약 2.5% 이상, 또는 약 3% 이상, 또는 약 4% 이상, 또는 약 5% 이상일 수 있다. 효율은 100 mV/㎠ 하에 측정할 수 있다.The efficiency (E) can be measured and can be, for example, at least about 2.5%, or at least about 3%, or at least about 4%, or at least about 5%. The efficiency can be measured under 100 mV / cm 2.
다수 활성 층을 포함하는 장치를 포함하는 공지의 PV 장치 구조를 제조할 수 있다. 장치는 적층 활성 층을 포함한 다수의 활성 층을 포함할 수 있다.It is possible to produce known PV device structures, including devices comprising a plurality of active layers. The device may comprise a plurality of active layers, including stacked active layers.
태양 전지 장치는, 예를 들어 본원에 참조로 인용된 문헌[Dennler and Sariciftci, Proceedings of the IEEE, vol. 93, no. 8, August 2005, pages 1429-1439]; 미국 특허 제6,812,399호, 및 제6,933,436호에 기술되어 있다.Solar cell devices are described, for example, in Dennler and Sariciftci, Proceedings of the IEEE, vol. 93, no. 8, August 2005, pages 1429-1439; US Pat. No. 6,812,399, and 6,933,436.
조성물의 제조 방법Method of Preparation of the Composition
하나의 양상은 용매계 코팅 조성물 및 건식 코팅 조성물을 포함한 조성물의 제조이다. 예를 들어, 위치규칙성 폴리티오펜은 정제를 포함하여 합성될 수 있고, 제어된 수 평균 분자량은 예컨대 9,000 미만, 또는 6,000 내지 9,000이다. 그 다음, 위치규칙성 폴리티오펜은 플루렌 유도체와 같은 n형 반도체와 배합하여 잘 혼합할 수 있다. 필름 또는 코팅물은 용매를 제거하여 제조할 수 있다. 도핑은 경우에 따라 조절할 수 있다.One aspect is the preparation of a composition comprising a solventborne coating composition and a dry coating composition. For example, regioregular polythiophenes can be synthesized including tablets, and the controlled number average molecular weight is for example less than 9,000, or from 6,000 to 9,000. The regioregular polythiophene can then be blended well with an n-type semiconductor such as a fullerene derivative. Films or coatings can be prepared by removing the solvent. Doping can be adjusted as the case may be.
추가의 설명은 비제한적인 실시예를 사용하여 제공한다. P3HT는 폴리(3-헥실티오펜)이고, 달리 나타내지 않는 한 위치규칙성이다. PCBM은 풀러렌 유도체로서, 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61이다. PEDOT는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)이다. PSS는 폴리(스티렌술포네이트)이다.Further description is provided using non-limiting examples. P3HT is poly (3-hexylthiophene) and is regioregular unless otherwise indicated. PCBM is a fullerene derivative, which is 1- (3-methoxycarbonyl) -propyl-1-phenyl- (6,6) C 61 . PEDOT is poly (3,4-ethylenedioxythiophene). PSS is poly (styrenesulfonate).
P3HT:PCBM계 유기 광전지는 장치 구조 ITO/PEDOT:PSS/[P3HT:PCBM]Ca/Al로 기술되는데, 이때 저 MW P3HT(8k)는 고 MW P3HT(19k)보다 실질적으로 더 우수하게 기능하는 것으로 나타났다. 또한, 저 MW P3HT의 다분산도는 1.4이다.P3HT: PCBM-based organic photovoltaic cells are described as device structure ITO / PEDOT: PSS / [P3HT: PCBM] Ca / Al, where low MW P3HT (8k) functions substantially better than high MW P3HT (19k). appear. In addition, the polydispersity of low MW P3HT is 1.4.
활성 층 제작, 침착 및 장치 제작:Active layer fabrication, deposition and device fabrication:
물질: 두 P3HT 중합체가 본 발명에 사용되었고, GRIM 방법에 의해 합성되었다. 두 상이한 분자량의 중합체(Mn=8k 및 19k)가 제조되었다. 분자량은 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의해 결정되었다. 폴리(3-헥실티오펜)의 GPC 트레이스는 워터스(Waters) 515 HPLC 펌프 및 워터스 486 가변 흡광 검출기를 갖춘 워터스 717 분리 오토샘플러(Autosampler)에 기록되었는데, 이때 클로로포름이 용리제이고(유 속 1.0 ㎖/분, 35 ℃, λ=254 ㎚), 일련의 3개의 스티라겔(Styragel) 칼럼(105, 103, 100 Å; 폴리머 스탠다드 서비시스(Polymer Standard Services)) 및 가드 칼럼이 있다. 폴리스티렌 기준물질에 근거한 보정을 분자량 결정에 적용하고, 내부 기준물질로서 톨루엔을 사용하였다. 폴리머 스탠다드 서비시스의 윈(Win) GPC 소프트웨어 패키지를 사용하여 GPC 데이터를 모으고 처리하였다. 트레이스는 피크의 양단(전형적으로 가우시안)에서 UV 흡광도 대 용출 체적을 수동 선택하여 분석하였는데, 기저선 흡광도를 0 흡광도로 맞추고, 윈 GPC 분자량 알고리듬을 사용하여 선택된 데이터를 처리하였다.Material: Two P3HT polymers were used in the present invention and were synthesized by the GRIM method. Two different molecular weight polymers (M n = 8k and 19k) were prepared. Molecular weight was determined by gel permeation chromatography (GPC). GPC traces of poly (3-hexylthiophene) were recorded on a Waters 717 separation autosampler equipped with a Waters 515 HPLC pump and a Waters 486 variable absorbance detector, where chloroform was the eluent (flow rate 1.0 mL). Per minute, 35 ° C., λ = 254 nm, and a series of three Styragel columns (10 5 , 10 3 , 100 Hz; Polymer Standard Services) and guard columns. Calibration based on polystyrene standards was applied to the determination of molecular weight and toluene was used as internal reference. GPC data was collected and processed using the Win GPC software package from Polymer Standard Services. Traces were analyzed by manual selection of UV absorbance versus elution volume at both ends of the peak (typically Gaussian), setting baseline absorbance to zero absorbance and processing the selected data using a Win GPC molecular weight algorithm.
MW 명명에 대한 주석: 본 발명에 사용된 P3HT의 두 MW는 상기 방법에 의해 '고 MW'의 19k, 및 '저 MW'의 8k인 것으로 결정되었고, 이 설명을 내내 사용하였다.Note on MW Naming: The two MWs of P3HT used in the present invention were determined to be 19k of 'high MW' and 8k of 'low MW' by this method, and this description was used throughout.
MW 결정에 대한 주석: MW 결정 방법에 대한 앞선 설명은 무엇이 폴리(3-알킬티오펜)의 MW 결정의 정확한 방법인지의 예이다. 폴리티오펜은 다양한 용매의 모든 희석율에서 응집하였고, 이는 당업계에 공지된 바와 같이 크기-배제 크로마토그래피(또는 GPC)에 의한 분자량 결정에 관련된다. PT 중합체 쇄의 응집에 의해 당업계에 공지된 바와 같이 하나의 단리된 중합체보다 큰 크기를 갖는 응집물이 형성된다. 폴리티오펜은 또한 "막대형" 중합체로서 특징화되고, 따라서 폴리스티렌 표준물질인 코일형 중합체에 대한 GPC-결정 분자량의 보정은, 당업계에 공지된 바와 같이 막대형 대 코일 중합체 구조의 유체역학적 체적 차이로 인해 실험적으로 결정된 MW 값의 이동으로 나타난다. 이들 인자는 NMR 및 다른 MW 결정 기법에 대한 보 정에 의해 결정되어 분석된 중합체의 실제 MW의 1.5 내지 2.0배 과대평가된 GPC 결정된 MW가 되었다.Note on MW Determination: The foregoing description of the MW determination method is an example of what is the correct method of MW determination of poly (3-alkylthiophenes). Polythiophenes aggregated at all dilution rates of various solvents, which are involved in molecular weight determination by size-exclusion chromatography (or GPC) as is known in the art. Aggregation of the PT polymer chains results in the formation of aggregates having a size larger than one isolated polymer, as known in the art. Polythiophenes are also characterized as "rod" polymers, and thus the correction of the GPC-crystal molecular weight for coiled polymers, which are polystyrene standards, is known in the art as the hydrodynamic volume of rod-to-coil polymer structures. The difference results in a shift in the experimentally determined MW value. These factors were determined by calibration for NMR and other MW determination techniques to result in GPC determined MW overestimated 1.5-2.0 times the actual MW of the analyzed polymer.
상이한 용매는 PT를 상이하게 응집시키기 때문에, 상이한 용매내 PT 중합체의 GPC 분석은 상이한 MW 값을 나타낼 것이다. 이는 앞선 노력에서 관찰되었고, P3HT의 우수한 용매인 클로로포름은 '최저' Mn 값을 제공하는 것으로 나타났지만, THF는 더 가변적인 것으로 관찰되었고, 클로로포름 GPC 분석으로부터 결정된 분자량의 약 1.2배 내지 2.0배의 Mn 값을 제공하였다. 따라서, 클로로포름이 사용될 용매이다.Because different solvents aggregate PT differently, GPC analysis of PT polymers in different solvents will show different MW values. This has been observed in previous efforts, while chloroform, a good solvent of P3HT, has been shown to provide 'lowest' M n values, while THF has been observed to be more variable, with about 1.2 to 2.0 times the molecular weight determined from chloroform GPC analysis. M n values were provided. Thus, chloroform is the solvent to be used.
어느 용매가 비교용 GPC 분석에 사용하기에 최상인지에 대하여 문헌에 표준화된 접근법이 없다. THF가 일반적으로 GPC 분석에 보고되어 있는데, 이는 문헌에 보고된 분자량이 기껏해야 비길데 없고, 가능하게는 과대평가됨을 뜻한다. 본원에 보고된 분자량은 용리제로서 클로로포름을 사용하여 결정하였다.There is no standardized approach in the literature regarding which solvent is best for use in comparative GPC analysis. THF is generally reported in GPC analysis, which means that the molecular weight reported in the literature is at best unparalleled and possibly overestimated. Molecular weights reported herein were determined using chloroform as eluent.
NMR 측정:NMR measurement:
MW의 NMR 결정:NMR determination of MW:
비교 및 인증에 있어서, 위치규칙성 P3HT의 전체 500 ㎒ 1H NMR 스펙트럼을 얻었다. d=2.56-2.64 ppm에서의 작은 두 삼중선은 H/H 및 H/Br 말단의 rr-P3OHT로부터 생기고, 일반적으로 Br 엔드캡핑(endcapping)의 로트-로트 변화로 인해 상이한 강도를 갖는다. 이들은 각각의 두 구별되는 말단 단위에 벤질 메틸렌으로 지정될 수 있고, 하나의 기로서 적분된다. 이는 거대한 중합체에 대한 말단 기 공명의 적분으로부터 분자량의 비교적 정확한 결정을 가능케 한다. 전술된 중합체의 DPn은 보고된 피적분함수로부터 계산될 수 있고, 두 삼중선의 비와 같다. 중합체 주쇄의 큰 삼중선의 피적분함수는 2.031 임의 단위(au)이고, 두 작은 삼중선의 경우에는 함께 0.056 au이다. 말단 기 대 주쇄의 비의 계산은 2.031*2(2H's-중합체의 주쇄) 대 0.056(4H's-말단 기의 두 메틸렌)이고, 72 단량체 단위(MW=각 반복 단위의 166 g/mole)가 되고 Mn=14,000에 해당된다(HT의 98% 초과). 중합체의 분자량은 또한 용리제로서 클로로포름을 사용하는(유속 1.0 ㎖/분, 35 ℃, l=254 ㎚) GPC에 의해 측정되었고, 폴리스티렌 표준물질에 근거한 보정을 내부 표준물질로서 톨루엔을 사용하는 분자량의 결정에 적용하였다(Mn:26900, PDI:1.3). GPC는 PAT의 MW를 1.5 내지 2배 과대평가하는 것으로 알려져 있는데, 이는 상기 NMR 특징화와 일치한다.For comparison and certification, a full 500 MHz 1 H NMR spectrum of regioregular P3HT was obtained. Two small triplets at d = 2.56-2.64 ppm result from rr-P3OHT at the H / H and H / Br ends, and generally have different strengths due to lot-lot changes in Br endcapping. They can be assigned to benzyl methylene at each two distinct terminal units and are integrated as one group. This allows for a relatively accurate determination of the molecular weight from the integration of end group resonances for large polymers. The DP n of the aforementioned polymers can be calculated from the reported integral function and is equal to the ratio of the two triplets. The integral function of the large triplet of the polymer backbone is 2.031 arbitrary units (au), together with 0.056 au for the two smaller triplets. The calculation of the ratio of end group to main chain is 2.031 * 2 (the backbone of the 2H's-polymer) to 0.056 (two methylenes of the 4H's-terminal group), with 72 monomer units (MW = 166 g / mole of each repeating unit) n = 14,000 (greater than 98% of HT). The molecular weight of the polymer was also measured by GPC using chloroform as the eluent (flow rate 1.0 mL / min, 35 ° C., l = 254 nm) and a correction based on polystyrene standards of molecular weight using toluene as the internal standard. The crystals were applied (M n : 26900, PDI: 1.3). GPC is known to overestimate the MW of PAT by 1.5 to 2 fold, consistent with the NMR characterization above.
활성 층 용액 제조: P3HT를 먼저 1,2-디클로로벤젠(DCB)에 용해시켜 30 ㎎/㎖ 용액을 만든 후, 50 중량% 디클로로벤젠내 PCBM(ADS로부터 구입함, 받은 대로 사용함)과 배합하였다. 배합물을 무수 질소 분위기하에 40 ℃에서 14 시간동안 교반하였다. P3HT 대 PCBM의 비는 2:1이었다.Active layer solution preparation: P3HT was first dissolved in 1,2-dichlorobenzene (DCB) to make a 30 mg / ml solution, then combined with PCBM in 50 wt% dichlorobenzene (purchased from ADS, used as received). The blend was stirred at 40 ° C. for 14 hours under anhydrous nitrogen atmosphere. The ratio of P3HT to PCBM was 2: 1.
장치 제작: 장치 제작 이전에, ITO-코팅된 유리 기재를 세제내 초음파 처리, 탈이온수, 아세톤 및 이소프로필 알콜에 의해 순서대로 세정하였다. PEDOT/PSS(베이트론(Baytron) P VP AI 4083)의 박층(30 ㎚)을 스핀-코팅하여 ITO 표면을 개질하였다. 필름을 질소-충전된 글러브 상자(<2 ppm O2 및 H2O)내에서 120 ℃에서 1시간 동안 가열하였다. 활성 층은 배합물을 600 rpm에서 60 초동안 스핀-코팅하여 얻었 고, 보정 표면조도계로 측정하였을 때 필름의 두께는 약 150 ㎚였다. 활성 장치 면적은 0.09 ㎠이었다. 필름은 110 ℃에서 10 분동안 열적으로 어닐링하였다.Device Fabrication: Prior to device fabrication, the ITO-coated glass substrates were washed in order with sonication in detergent, deionized water, acetone and isopropyl alcohol. A thin layer (30 nm) of PEDOT / PSS (Baytron P VP AI 4083) was spin-coated to modify the ITO surface. The film was heated at 120 ° C. for 1 hour in a nitrogen-filled glove box (<2 ppm O 2 and H 2 O). The active layer was obtained by spin-coating the blend for 60 seconds at 600 rpm and the thickness of the film was about 150 nm as measured by a calibration surface roughness meter. The active device area was 0.09 cm 2. The film was thermally annealed at 110 ° C. for 10 minutes.
중합체 PV 장치는 투명 양극 및 음극 사이에 끼인, 1:1 중량비의 P3HT/PCBM의 배합물의 스핀-코팅에 의해 제작되었다. 양극은 폴리에틸렌디옥시티오펜/폴리스티렌술포네이트(PEDOT/PSS) 층(30 ㎚)을 스핀-코팅하여 개질된, 산화 인듐 주석(ITO)으로 미리 코팅된 유리 기재로 이루어졌고, 음극은 Al(150 ㎚)으로 캡핑된 Ca(5 ㎚)으로 이루어졌다. 초기 진공도는 2 내지 6 10-6 밀리바였다. 캡슐화된 장치는 크세논등 태양광 시뮬레이터(오리엘(Oriel) 300W 태양광 시뮬레이터)를 사용하여 모의된 AM1.5G 조사(100 mW/㎠)하에 공기중에서 시험하였다.Polymeric PV devices were fabricated by spin-coating a blend of P3HT / PCBM in a 1: 1 weight ratio, sandwiched between a transparent anode and a cathode. The anode consisted of a glass substrate precoated with indium tin oxide (ITO), modified by spin-coating a polyethylenedioxythiophene / polystyrenesulfonate (PEDOT / PSS) layer (30 nm), the cathode being Al (150 nm). ) With Ca (5 nm) capped. Initial vacuum levels were 2 to 6 10-6 millibars. The encapsulated device was tested in air under AM1.5G irradiation (100 mW / cm 2) using a xenon solar simulator (Oriel 300W solar simulator).
효율 명명에 대한 주석: 실시예 1 및 2를 태양광 시뮬레이터(오리엘)의 보정없이 분석하여, 효율을 정규화하였고, 고 MW P3HT는 효율은 '100'으로 특징화되고 저 MW P3HT는 '120'으로 특징화되어, 효율은 20 % 개선되었다. 실시예 3은 보정된 태양광 시뮬레이터(100 mW/㎠)로 분석되었고, 이 전지의 효율 수치는 절대값이다.Notes on efficiency naming: Examples 1 and 2 were analyzed without calibration of the solar simulator (Oriel) to normalize efficiency, with high MW P3HT characterized by '100' efficiency and low MW P3HT '120' Characterized in, the efficiency was improved by 20%. Example 3 was analyzed with a calibrated solar simulator (100 mW / cm 2) and the efficiency figures of this cell were absolute.
실시예 1: 저 MW P3HT:PCBM 활성 층(MW=5k) (비최적화) 데이터가 도 3에 제공되어 있다. 더 높은 MW 유사체에 비해 이 물질의 효율이 20 % 더 큼에 주의한다. 주: 보정되지 않은 태양광 시뮬레이터(AM 1.5)를 광원으로 사용하였고, 정규화된 효율을 비교 목적으로 사용하였다.Example 1 Low MW P3HT: PCBM Active Layer (MW = 5k) (Unoptimized) Data is provided in FIG. 3. Note that the efficiency of this material is 20% greater compared to the higher MW analogs. Note: An uncalibrated solar simulator (AM 1.5) was used as the light source and normalized efficiency was used for comparison purposes.
실시예 2(비교예): 고 MW P3HT:PCBM 활성 층(MW=15k) (비최적화) 데이터가 도 4에 제공되어 있다. 감소된 곡선 인자 및 전류에 의해 저 MW의 경우에 비하여 효율이 감소하였다. 주석: 보정되지 않은 태양광 시뮬레이터(AM 1.5)를 광원으로 사용하였고, 정규화된 효율을 비교 목적으로 사용하였다.Example 2 (Comparative): High MW P3HT: PCBM active layer (MW = 15k) (non-optimized) data is provided in FIG. 4. The reduced curve factor and current reduced the efficiency compared to the low MW case. Note: An uncalibrated solar simulator (AM 1.5) was used as the light source and normalized efficiency was used for comparison purposes.
실시예 3: 낮은 MW P3HT를 취하여 증가된 효율로 최적화하였다. AM 1.5 태양광 스펙트럼을 갖는 보정된 태양광 시뮬레이터에 의해 2.5 % 효율이 보고되었다. 데이터는 도 5에 제공되어 있다.Example 3: Low MW P3HT was taken and optimized for increased efficiency. 2.5% efficiency was reported by a calibrated solar simulator with AM 1.5 solar spectrum. Data is provided in FIG. 5.
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