KR20100088050A - Organic photovoltaic device containing fullerene derivatives - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An organic solar cell device is provided to improve an open voltage property when an organic solar cell device is implemented by increasing a LUMO energy level. CONSTITUTION: A fullerene derivatives includes two cyclohexane form substituents. Fullerene derivatives are combined with a polymer material for a doner. A fullerene derivative compound for an organic solar cell device is a dopant. The fullerene derivatives for an organic solar cell device is formed with one which is selected among a group which is formed with a solution process mode and a deposition method.

Description

플러렌 유도체를 함유한 유기태양전지 소자{Organic Photovoltaic Device Containing Fullerene Derivatives}Organic Photovoltaic Device Containing Fullerene Derivatives

본 발명은 유기 반도체 물질 및 이를 포함하는 유기 전자 소자에 관한 것으로, 구체적으로는 방향족융합고리 화합물이 연결된 플러렌 구조의 유기 반도체 물질 및 이를 포함하는 유기태양전지 소자에 관한 것이다.The present invention relates to an organic semiconductor material and an organic electronic device including the same, and more particularly, to an organic semiconductor material having a fullerene structure to which an aromatic fused ring compound is connected and an organic solar cell device including the same.

최근 10여 년간 반도체 성질을 띄는 유기 소재의 개발과 이를 이용한 다양한 응용 연구 또한 어느 때보다 활발히 진행되어 왔다. 전자파 차폐막, 캐패시터, OLED 디스플레이, 유기 박막 트랜지스터(organic thin film transistor;OTFT), 태양 전지, 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자 등 유기 반도체를 이용한 응용 연구의 영역은 계속해서 확장되고 있다. 이 중 특히 OLED 분야는 대형 디스플레이 상품화를 목전에 두고 있어 유기물을 이용한 응용 연구를 활성화시키는 촉매제 역할을 하고 있으며, OLED의 능동 구동용 회로로 시작하여 차세대 스마트카드 등의 응용에도 기대되는 유기 반도체 박막 트랜지스터도 급부상을 하고 있다. 또한 유기물 반도체를 활성층으로 하여 전기적 발전 특성 발표가 있은 후 레이저 다이오드로서의 응용성에 대해서도 많은 관심을 다시 불러일으키고 있다. 비유기물에 비해 소 자 제작 단가가 현저히 저렴하므로 미래의 태양 전지 시장에 변혁을 예고하고 있다.In recent decades, the development of organic materials with semiconductor properties and various application studies using them have been actively conducted. The scope of application research using organic semiconductors such as electromagnetic shielding films, capacitors, OLED displays, organic thin film transistors (OTFTs), solar cells, and memory devices using multiphoton absorption phenomena continues to expand. In particular, the OLED field is expected to commercialize large-scale displays, and thus serves as a catalyst for activating application research using organic materials.It is started as an active driving circuit for OLED and is expected to be applied to next-generation smart cards. There is also a sudden rise. In addition, after the announcement of the electrical power generation characteristics using the organic semiconductor as an active layer, it is also drawing a lot of attention to the application as a laser diode. Compared with inorganic materials, the cost of producing the material is significantly lower, which is a change in the future solar cell market.

유기 반도체 박막 트랜지스터에 관한 연구는 1980년 이후부터 시작되었으나 근래에 들어 전 세계적으로 본격적인 연구가 진행되고 있다. 제작 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 충격에 의해 깨지지 않고 구부리거나 접을 수 있는 전자 회로 기판이 미래의 산업에 필수적인 요소가 될 것으로 예상되고 있으며, 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 유기 트랜지스터의 개발은 아주 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 유기 트랜지스터는 유기 반도체의 특성상 전하 이동도가 낮아 Si이나 Ge 등이 쓰이는 빠른 속도를 필요로 하는 소자에는 쓰일 수 없다. 하지만 넓은 면적 위에 소자를 제작할 필요가 있을 때나 낮은 공정 온도를 필요로 하는 경우, 또한 구부림이 가능해야 하는 경우, 특히 저가 공정이 필요한 경우 유용하게 쓰일 수 있다. 최근에 Philips의 연구진들은 기판과 전극, 유전체(절연체), 반도체를 모두 고분자를 이용하여 326개의 트랜지스터로 구성된 programmable code generator를 제작, 발표하여 세상을 놀라게 하였다. 이는 지금까지 반도체는 딱딱한 것이라는 고정 관념을 완전히 뒤집은 것으로, 인간의 상상력에 따라 무궁무진한 응용 분야를 예고하고 있다. The research on the organic semiconductor thin film transistor has been started since 1980, but in recent years, full-scale research is being conducted worldwide. It is anticipated that electronic circuit boards that are simple to manufacture, inexpensive, and that can be bent or folded without impact are expected to be essential to the industry of the future, and the development of organic transistors to meet these needs is very important. It is emerging as a research field. Organic transistors cannot be used in devices requiring high speeds such as Si or Ge due to their low charge mobility due to the characteristics of organic semiconductors. However, it can be useful when the device needs to be fabricated over a large area, when low process temperatures are required, and when bending is required, especially when low-cost processes are required. Recently, researchers at Philips surprised the world by designing and publishing programmable code generators consisting of 326 transistors using substrates, electrodes, dielectrics (insulators), and semiconductors all using polymers. This completely reverses the stereotype that semiconductors are hard so far, foreshadowing endless applications based on human imagination.

유기 반도체 트랜지스터는 소재의 특성상 유기 전기발광 트랜지스터에 쓰이는 발광 유기물과 같은 유기물 반도체이므로 증착 방법이 같고, 물리적 화학적 성질이 비슷하여 같은 공정 조건을 유지하면서 소자를 제작할 수 있다. 또한 둘 다 상온 및 저온(섭씨 100℃ 이하) 공정이 가능하므로 유기 트랜지스터를 이용한 플라 스틱 기반의 유기 전기 발광 소자 제작이 가능하다. 같은 맥락에서 플라스틱을 기판으로 하여 구부림이 가능한 액정 표시 소자를 구현하는 곳에서도 사용이 가능하다. 또한 최근 큰 관심을 불러일으키고 있는 전자종이의 구동을 들 수 있는데, 전자종이는 전류구동이 아니라 전압 구동이고, 높은 전하 이동도나 빠른 스위칭 속도를 필요로 하는 표시 소자가 아닐 뿐 아니라 구부림이 가능한 대면적에 적용되는 기술이므로 유기 트랜지스터가 가장 제격이라 볼 수 있다. 또한 현재 반도체 공정을 통한 실리콘 기반으로 사용되고 있는 스마트 카드용 마이크로 프로세서도 유기 트랜지스터를 적용할 경우 실리콘 프로세서와 플라스틱 베이스 등의 접합 등에 따른 경비를 절감할 수 있어 사용이 기대된다. 더 나아가서 입는 컴퓨터의 다양한 부분에 응용이 가능할 것으로 생각된다.Organic semiconductor transistors are organic semiconductors such as light emitting organic materials used in organic electroluminescent transistors because of the characteristics of the material, so the deposition method is the same, and the physical and chemical properties are similar, so that the device can be manufactured while maintaining the same process conditions. In addition, since both process can be performed at room temperature and low temperature (less than 100 ℃), it is possible to manufacture a plastic-based organic electroluminescent device using an organic transistor. In the same vein, it is also possible to use a liquid crystal display device that can be bent using plastic as a substrate. In addition, the driving of electronic paper, which has attracted great attention recently, is not only driving current but driving voltage, and not only a display device requiring high charge mobility or fast switching speed, but also a large area that can be bent. The organic transistor is the most suitable technology because it is applied to. In addition, micro cards for smart cards, which are currently used as silicon bases through semiconductor processes, are expected to be used because organic transistors can be used to reduce costs associated with bonding silicon processors to plastic bases. Furthermore, it is thought that it can be applied to various parts of the computer.

고성능의 소자를 얻기 위해서 유기 반도체는 다음과 같은 전하 주입과 전류이동성에 대한 일반적인 사항을 만족해야 한다. (ⅰ) 유기반도체 물질은 전기장이 인가되었을 때 정공과 전자의 주입이 쉽게 일어나는 분자 오비탈(HOMO/LUMO) 에너지를 가져야 한다. (ⅱ) 이웃한 분자들 사이의 효과적인 전하이동이 일어날 수 있도록 물질의 결정구조는 프론티어 오비탈(frontier orbital) 의 충분한 겹침을 가져야 한다. (ⅲ) 불순물은 전하트랩으로 작용하기 때문에 고체는 아주 순수하여야 한다. (ⅳ) 분자 내 파이-파이 스태킹(π-π stacking)의 방향을 따라서 효과적인 전하이동이 일어날 수 있도록 분자는 소자기판에 나란한 긴축을 따라서 선택적으로 배열해야 한다. (ⅴ) 유기반도체의 결정영역은 소스와 드레인 전극사이를 단결정 같은 박막 형태를 가진 필름의 형태로 덮여야 한다. 부가적으로 유기 물질의 용해 도도 우수한 것이 바람직하다. 소자 제작 시 용액 공정은 저온공정이 가능하기 때문에 플라스틱 기판에도 쉽게 박막을 형성할 수 있어, 비용이 저렴한 소자의 제작이 가능하다.In order to obtain a high performance device, an organic semiconductor must satisfy the following general matters regarding charge injection and current mobility. (Iv) Organic semiconductor materials must have molecular orbital (HOMO / LUMO) energy that facilitates the injection of holes and electrons when an electric field is applied. (Ii) The crystal structure of a substance must have sufficient overlap of frontier orbitals so that effective charge transfer between neighboring molecules can occur. (Iii) Solids must be pure because impurities act as charge traps. (Iii) Molecules should be selectively arranged along the lengthening side-by-side on the device substrate so that effective charge transfer can occur along the direction of intra-molecular pi-pi stacking. (Iii) The crystal region of the organic semiconductor should be covered between the source and drain electrodes in the form of a film with a thin film like single crystal. In addition, it is desirable that the solubility of the organic material is also excellent. Since the solution process can be a low temperature process during device fabrication, a thin film can be easily formed on a plastic substrate, thereby making it possible to fabricate an inexpensive device.

1980년대 초부터 OTFT에 관한 연구가 본격적으로 시작된 이래 펜타센(pentacene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), α-헥사티에닐렌(α-hexathienylene), 플러렌(fullerene,C60) 박막 등이 적용되어 왔으며 이는 OTFT 소자의 중요한 특성인 전하 이동도와 점멸비를 증가시키기 위한 방향으로 개발이 진행되어 왔다. 현재 가장 우수한 p형 채널 재료는 펜타센이나, 산소와 반응을 하여 전기적 특성이 변하는 안정성의 문제를 가지고 있다. 이렇게 유기 반도체가 산화되면 결합이 깨어지고, 따라서 전하 이동도가 낮아지게 된다. 또한 결정 내부에 격자 뒤틀어짐 현상이 발생하여 전하 트랩을 형성하게 되고, 이들에 의한 전하 산란도 이동도를 감소시키는 원인이 된다. 또한 유기 반도체의 전하의 이동도를 향상시키기 위한 연구는 증착 시 기판의 온도를 올리거나 자기 조립(self-assembly) 방법을 이용하여 유기분자의 결정화를 유도하는 연구가 많이 이루어져 왔다. 그러나 무엇보다 분자간(inter-molecular) 전도가 쉽게 일어나도록 분자를 설계하는 것이 중요하다.Pentacene, polythiophene, polyacetylene, α-hexathienylene, and fullerene (C60) thin films since OTFT began in earnest in the early 1980s Has been applied in the direction to increase the charge mobility and the flashing ratio, which are important characteristics of the OTFT device. The best p-type channel material at present is pentacene, but has a problem of stability in that electrical properties change due to reaction with oxygen. When the organic semiconductor is oxidized in this manner, the bond is broken and thus the charge mobility is lowered. In addition, lattice distortion occurs in the crystal to form charge traps, and charge scattering caused by these causes a decrease in mobility. In addition, researches to improve charge mobility of organic semiconductors have been conducted to increase the temperature of the substrate during deposition or to induce crystallization of organic molecules using a self-assembly method. But first of all, it is important to design the molecules so that inter-molecular conduction occurs easily.

한편, 태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 전형적인 태양전지는 무기반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자(electron)와 정공(hole)은 p-n 접합점까지 확산되고 그 전계 에 의하여 가속되어 전극으로 이동한다. 이 과정의 전력변환 효율은 외부 회로에 주어지는 전력과 태양전지에 들어간 태양전력의 비로 정의되며, 현재 표준화된 가상 태양 조사 조건으로 측정 시 24% 정도까지 달성되었다. 그러나 종래 무기 태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 그 한계를 보이고 있기 때문에 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기물 반도체 태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다. On the other hand, solar cells are devices that can directly convert solar energy into electrical energy by applying a photovoltaic effect. Typical solar cells are made of p-n junctions by doping crystalline silicon (Si), an inorganic semiconductor. Electrons and holes generated by absorbing light diffuse to the p-n junction and are accelerated by the electric field to move to the electrode. The power conversion efficiency of this process is defined as the ratio of the power given to external circuits and the solar power entered into the solar cell, and has been achieved by up to 24% when measured under current virtualized solar irradiation conditions. However, since the conventional inorganic solar cell has already shown its limitations in terms of economic and material supply and demand, organic semiconductor solar cells having easy processing, low cost, and various functionalities have been spotlighted as alternative energy sources in the long term.

유기 태양전지의 가능성이 처음 제시되었던 것은 1970년대이지만 효율이 너무 낮아 실용성이 없었다. 그러나 1986년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)의 탕(C.W. Tang)이 프탈로시아닌 구리(copper phthalocyanine, CuPc) 와 페릴렌 테트라카복실산(perylene tetracarboxylic acid) 유도체를 이용한 이중층 구조로 다양한 태양전지로서의 실용화 가능성을 보이자, 유기 태양전지에 대한 관심과 연구가 급속도로 증가하며 많은 발전을 가져왔다. 이후 1995년에는 유(Yu) 등에 의해 BHJ(bulk-heterojunction) 개념이 도입되었고, PCBM과 같이 용해도가 향상된 플러렌(fullerene) 유도체가 n 형 반도체 물질로 개발되면서 유기 태양전지의 효율 면에서 획기적인 발전이 있었다. 특히 고분자 태양전지의 경우 최근 3∼4 년 사이에 새로운 소자 구성 및 공정 조건의 변화 등으로 효율의 향상이 두드러지고 있으며, 기존의 물질을 대체하기 위해 낮은 밴드갭(bandgap)을 지니는 주개(donor) 물질과 전하 이동도가 좋은 새로운 받개(acceptor) 물질들의 개발이 지속적으로 연구되고 있다.The possibility of an organic solar cell was first proposed in the 1970s, but its efficiency was so low that it was not practical. However, in 1986, Eastman Kodak's Tang showed a double-layer structure using copper phthalocyanine (CuPc) and perylene tetracarboxylic acid derivatives, showing the possibility of practical application as various solar cells. Interest and research on solar cells has increased rapidly and brought about a lot of development. Since 1995, the concept of bulk-heterojunction (BHJ) was introduced by Yu et al., And fullerene derivatives with improved solubility, such as PCBM, were developed as n-type semiconductor materials. there was. In particular, in the case of polymer solar cells, the improvement of efficiency is remarkable due to the change of new device configuration and process conditions in recent 3-4 years, and the donor having low bandgap to replace the existing material. The development of new acceptor materials with good material and charge mobility is constantly being studied.

본 발명의 목적은 전기전도성 물질로서 열적으로 안정하며 용해도가 우수하고 전자이동도가 높아 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있으며, 특히 LUMO 에너지 준위가 높아 유기태양전지 소자 구현시 개방전압(Voc) 특성이 우수한 유기 반도체 물질과 이를 포함하는 유기태양전지 소자를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is an electrically conductive material that is thermally stable, has high solubility, has high electron mobility, and exhibits excellent electrical properties. An organic semiconductor material and an organic solar cell device including the same are provided.

상기의 과제를 해결하고자, 본 발명은 하기 화학식 1과 같이 방향족융합고리 화합물이 도입된 플러렌 구조, 보다 상세하게는 플러렌에 사이클로헥산(cyclohexane)의 구조가 도입되어 있고 여기에 방향족고리 화합물 또는 헤테로방향족고리 화합물이 융합된 화합물의 유기 반도체 물질과 이를 포함하는 유기태양전지 소자를 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention is a fullerene structure in which an aromatic fused ring compound is introduced, more specifically, a structure of a cyclohexane (cyclohexane) is introduced into the fullerene, and the aromatic ring compound or heteroaromatic An organic semiconductor material of a compound in which a ring compound is fused and an organic solar cell device including the same are provided.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112009032559917-PAT00002
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[상기 화학식 1에서, R1 내지 R4 는 독립적으로 수소원자, 직쇄 또는 분쇄의 (C1-C20)알킬로부터 선택되거나, 인접한 치환체와 (C4-C8)알케닐렌으로 연결되어 방향족융합고리를 형성하거나, 상기 알케닐렌은 산소 원자, 질소 원자 또는 황 원자로부터 선택되는 1개 내지 3개의 헤테로원자로 치환되어 헤테로방향족융합고리를 형성하며; A는 C60 또는 C70의 플러렌이다.][In Formula 1, R 1 to R 4 is independently selected from a hydrogen atom, a straight chain or a (C1-C20) alkyl of the chain, or connected to adjacent substituents (C4-C8) alkenylene to form an aromatic fused ring The alkenylene is substituted with 1 to 3 heteroatoms selected from an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom to form a heteroaromatic fused ring; A is the fullerene of C60 or C70.]

본 발명에 따른 방향족융합고리 화합물이 도입된 플러렌 화합물은 구체적으로 하기의 화합물로서 예시할 수 있으나, 하기의 화합물이 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명에서는 플러렌 화합물의 방향족융합고리 시클로헥산 치환체의 위치를 한정하지 않는다. 본 발명에 따른 플러렌 유도체 화합물은 딜스-알더 반응(Diels-Alder reaction)에 의해 방향족융합고리가 치환된 위치는 구체적으로 하기에 도시된 위치에 한정된 것이 아닌 플러렌의 2중 결합의 어느 위치건 치환될 수 있는 것을 포함하며, 또한 위치 이성질체들의 혼합물일 수 있지만, 유기태양전지 소자용 플러렌 유도체로서의 전기화학적 특성은 동일하다.The fullerene compound into which the aromatic fused ring compound according to the present invention is introduced may be specifically exemplified as the following compound, but the following compound does not limit the scope of the present invention. In addition, in this invention, the position of the aromatic fused ring cyclohexane substituent of a fullerene compound is not limited. The fullerene derivative compound according to the present invention may be substituted at any position of the double bond of the fullerene where the aromatic fused ring is substituted by the Diels-Alder reaction, which is not limited to the position shown below. It can be a mixture of positional isomers, including those that can be, but the electrochemical properties as fullerene derivatives for organic solar cell devices are the same.

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본 발명에 따른 상기 화학식 1의 방향족융합고리 화합물이 도입된 플러렌 유도체의 제조 방법은 하기 반응식 1 내지 5에서 C60의 플러렌 유도체를 예로 들어 도시하였으며, 하기 반응식 1 내지 5에 도시된 바와 같이, 딜스-알더 반응(Diels-Alder reaction)에 의해 플러렌 유도체를 제조할 수 있다. In the method for preparing a fullerene derivative in which the aromatic fused ring compound of Formula 1 is introduced according to the present invention, the fullerene derivative of C60 is illustrated as an example in Schemes 1 to 5, and as shown in Schemes 1 to 5, Diels- Fullerene derivatives may be prepared by a Diels-Alder reaction.

상기 딜스-알더 반응은 부타디엔 등과 같이 짝이중결합을 가진 디엔화합물과 이중결합 또는 삼중결합을 가진 친디엔체가 첨가반응을 일으켜 6원자고리 또는 5원자고리 화합물을 만드는 반응이다. 본 발명의 플러렌 유도체를 제조하기 위한 반응 조건으로는, 당업자가 실시할 수 있는 통상의 딜스-알더 반응 조건이라면 어떠한 방법으로든 이용할 수 있으며, 예를 들면, 유기용매 하에서 반응물들을 가온하여 수득할 수 있고, 필요에 따라서 촉매를 더 이용할 수도 있다. 상기 유기용매는 상기 용매로는 펜탄, 옥탄, 데칸 및 시클로헥산 등의 지방족 탄화수소, 벤젠, 톨루엔, 및 크실렌 등과 같은 방향족 탄화수소, 클로로메탄, 메틸렌클로라이드, 클로로 포름, 카본테트라클로라이드, 1,1-디클로로에탄, 1,2-디클로에탄, 에틸클로라이드, 트리클로로에탄, 1-클로로프로판, 2-클로로프로판, 1-클로로부탄, 2-클로로부탄, 1-클로로-2-메틸프로판, 클로로벤젠 및 브로모벤젠 등과 같은 할로겐화 탄화수소를 이용할 수 있다.The Diels-Alder reaction is a reaction in which a diene compound having a paired double bond such as butadiene and a dienophile having a double bond or a triple bond cause an addition reaction to form a 6-membered ring or 5-membered ring compound. As the reaction conditions for preparing the fullerene derivative of the present invention, any of the conventional Diels-Alder reaction conditions which can be carried out by those skilled in the art can be used by any method, for example, can be obtained by heating the reactants in an organic solvent. If necessary, a catalyst may be further used. The organic solvent is an aliphatic hydrocarbon such as pentane, octane, decane and cyclohexane, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, and xylene, chloromethane, methylene chloride, chloroform, carbon tetrachloride, 1,1-dichloro Ethane, 1,2-dichloroethane, ethylchloride, trichloroethane, 1-chloropropane, 2-chloropropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, chlorobenzene and bro Halogenated hydrocarbons such as parent benzene can be used.

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112009032559917-PAT00013
Figure 112009032559917-PAT00013

[반응식 2]Scheme 2

Figure 112009032559917-PAT00014
Figure 112009032559917-PAT00014

[반응식 3]Scheme 3

Figure 112009032559917-PAT00015
Figure 112009032559917-PAT00015

[반응식 4]Scheme 4

Figure 112009032559917-PAT00016
Figure 112009032559917-PAT00016

[반응식 5]Scheme 5

Figure 112009032559917-PAT00017
Figure 112009032559917-PAT00017

상기의 반응식 1 내지 5에서, C60 또는 C70의 플러렌에 부가되는 부가물은 상용화된 제품을 이용하거나 직접 제조하여 이용할 수도 있다. 상기 플러렌과 부가물의 합성을 위한 반응은 상기의 유기용매로부터 선택된 용매 하에서 용매의 끓는점까지 가온하여 6시간 내지 48시간 동안 반응함으로써 본 발명의 플러렌 유도체를 수득할 수 있다.In the above Schemes 1 to 5, the adduct added to the fullerene of C60 or C70 may be used by using a commercially available product or by directly preparing. The reaction for the synthesis of the fullerene and the adduct may be carried out by heating to a boiling point of the solvent under a selected solvent from the organic solvent and reacting for 6 to 48 hours to obtain the fullerene derivative of the present invention.

상기의 반응식 1 내지 5는 모노-부가물(mono-adduct)과 디-부가물(di-adduct)이 동시에 생성될 수 있고, 이는 통상의 재결정 및 컬럼크로마토그래피 등의 분리 공정에 따라 본 발명에 따른 화합물인 디-부가물을 수득할 수 있다.In Schemes 1 to 5, mono-adducts and di-adducts may be simultaneously produced, which is according to the present invention according to a separation process such as conventional recrystallization and column chromatography. It is possible to obtain di-adducts according to the above compounds.

본 발명에 의해 제조된 상기 화학식 1의 방향족융합고리 화합물이 도입된 플 러렌 유도체는 유기태양전지 소자로 이용될 수 있다. 본 발명의 플러렌 유도체 및 이를 광활성층으로 이용한 유기태양전지 소자는 기존의 PCBM과 비교하여 우수한 전기화학적 특성을 갖는다. 상기 플러렌 유도체는 LUMO 에너지 레벨이 -3.50 ~ -3.52 eV 정도로 기존의 PCBM의 -3.70 eV에 비해서 5% 정도 우수한 LUMO 에너지 준위를 가지고 있다. 이는 유기태양전지 소자의 광활성층으로 이용할 경우 PCBM을 광활성층으로 이용한 기존의 유기태양전지 소자보다 높은 개방전압을 기대할 수 있다. 실제 상기 플러렌 유도체와 rr-P3HT [regioregular Poly(3-hexylthiophene)]를 광활성층으로 하여 제작된 유기태양전지 소자의 특성을 분석한 결과, 개방전압(Voc)이 800 ~ 850 mV를 나타내었으며, 이는 PCBM과 비교하여 50 ~ 60% 더 향상된 것이다. The fullerene derivative in which the aromatic fused ring compound of Chemical Formula 1 is prepared according to the present invention may be used as an organic solar cell device. The fullerene derivative of the present invention and the organic solar cell device using the same as the photoactive layer have excellent electrochemical characteristics compared with the conventional PCBM. The fullerene derivative has a LUMO energy level of about -3.50 to -3.52 eV, which is about 5% higher than that of the conventional PCBM -3.70 eV. When the organic solar cell device is used as a photoactive layer, a higher open voltage than the conventional organic solar cell device using PCBM as a photoactive layer can be expected. As a result of analyzing the characteristics of the organic solar cell device fabricated using the fullerene derivative and rr-P3HT [regioregular Poly (3-hexylthiophene)] as a photoactive layer, the open voltage (Voc) was 800 to 850 mV. 50 to 60 percent better than PCBM.

따라서, 본 발명의 플러렌 유도체 화합물을 유기태양전지의 광활성층으로 이용할 경우, 에너지 변환효율을 훨씬 향상시킬 수 있으며, 용해도가 우수하여 저가 인쇄공정에 적합한 재료로서 저가의 고효율 유기태양전지 소자를 제조할 수 있을 것이다.Therefore, when the fullerene derivative compound of the present invention is used as the photoactive layer of the organic solar cell, the energy conversion efficiency can be further improved, and the solubility is excellent, and thus, a low cost, high efficiency organic solar cell device can be manufactured as a material suitable for a low cost printing process. Could be.

결론적으로, 본 발명은 두개의 사이클로헥산(cyclohexane) 형태의 치환체를 갖는 플러렌(fullerene) 유도체들이 도너(donor)용 고분자 재료와의 조합을 통해 보다 높은 수준의 개방전압 (Voc, open circuit voltage)를 구현할 수 있어 에너지 변환효율이 향상된 유기태양전지 소자를 제공할 수 있다.In conclusion, in the present invention, fullerene derivatives having two cyclohexane-type substituents have a higher level of open circuit voltage (Voc) through combination with donor polymer materials. The present invention can provide an organic solar cell device having improved energy conversion efficiency.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의거하여 좀 더 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples. However, the following examples are not intended to limit the invention only.

[[ 제조예Production Example 1] 화합물 1-1의 제조 1] Preparation of Compound 1-1

Figure 112009032559917-PAT00018
Figure 112009032559917-PAT00018

반응기에 벤조사이클로부텐 (Benzocyclobutene, 0.51 g, 5 mmol) 과 플러렌 C60 (Fullerene C60, 0.3 g, 0.42 mmol) 을 1,2-디클로로벤젠 50 ml에 녹여 주입하고, 190 ℃에서 24 시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 감압하에서 용매를 농축하고 실리카겔의 컬럼크로마토그래피(40 x 10 cm)를 사용하여 벤젠과 헥산의 1:7 혼합용매를 이용해 전개하여 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-adduct) (83 mg, 21%)와 디-부가물(di-adduct, 화합물 1-1) (110 mg, 28%) 을 얻었다.Benzocyclobutene (Benzocyclobutene, 0.51 g, 5 mmol) and fullerene C60 (Fullerene C60, 0.3 g, 0.42 mmol) were dissolved in 50 ml of 1,2-dichlorobenzene and reacted at 190 ° C. for 24 hours. After completion of the reaction, the solvent was concentrated under reduced pressure and developed using a 1: 7 mixed solvent of benzene and hexane using column chromatography on silica gel (40 × 10 cm) to give a mono-adduct of brown solid. (83 mg, 21%) and di-adduct (Compound 1-1) (110 mg, 28%) were obtained.

Di-adduct(화합물 1-1):Di-adduct (Compound 1-1):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.94-7.28 (m, 8H), 5.08-3.91 (m, 8H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.94-7.28 (m, 8H), 5.08-3.91 (m, 8H).

13C-NMR 500 MHz (CDCl3 = 77.00 ppm) δ 146.71, 145.41, 144.97, 144.57, 143.74, 142.43, 141.84, 141.28, 138.41, 138.05, 128.03, 127.75, 127.68, 65.06, 64.84, 64.56, 64.45, 63.79, 45.31, 45.11, 44.76, 30.92. 13 C-NMR 500 MHz (CDCl 3 = 77.00 ppm) δ 146.71, 145.41, 144.97, 144.57, 143.74, 142.43, 141.84, 141.28, 138.41, 138.05, 128.03, 127.75, 127.68, 65.06, 64.84, 64.56, 64.45, 64.45 45.31, 45.11, 44.76, 30.92.

FABMS m/z: 928 (M+H): calcd. (C76H16), 928.FABMS m / z : 928 (M + H): calcd. (C 76 H 16 ), 928.

[[ 제조예Production Example 2] 화합물 1-2의 제조 2] Preparation of Compound 1-2

Figure 112009032559917-PAT00019
Figure 112009032559917-PAT00019

(4-(4- 메틸methyl -1,2--1,2- 페닐렌Phenylene )) 디메탄올Dimethanol [(4- [(4- methylmethyl -1,2--1,2- phenylenephenylene )) dimethanoldimethanol ]]의 제조Manufacturing of]]

4-메틸프탈 무수물 (4-Methylphthalic anhydride, 5 g, 30.84 mmol)를 에테르 (90 mL)에 용해시킨 후, -78oC에서 수소화알루미늄리튬(LiAlH4, LAH, 2.9 g, 77.09 mmol)을 넣고 30분간 교반한 뒤 온도를 서서히 올려 상온에서 24시간 반응시킨다. 반응 후 염화암모늄(ammonium chloride) 용액으로 냉각 후 감압하에 용매를 농축하고, 에틸아세테이트(ethylacetate)로 2회 세척하고, 다시 증류수로 1회 세척하였다. 유기층을 분리하여 황산나트륨으로 건조한 후, 감압하에서 용매를 농축하고 실리카겔을 이용해 컬럼크로마토그래피 (40 x 10 cm)를 사용하여 에틸아세테이트와 헥산의 2:5 혼합용매를 이용해 전개하여 흰색고체 (4-메틸-1,2-페닐렌)디메탄올 (3.73 g, 80%)를 얻었다.Dissolve 4-methylphthalic anhydride (4-Methylphthalic anhydride, 5 g, 30.84 mmol) in ether (90 mL), add lithium aluminum hydride (LiAlH 4 , LAH, 2.9 g, 77.09 mmol) at -78 o C. After stirring for 30 minutes, the temperature is gradually raised and reacted at room temperature for 24 hours. After the reaction, after cooling with ammonium chloride solution, the solvent was concentrated under reduced pressure, washed twice with ethyl acetate, and once again with distilled water. The organic layer was separated, dried over sodium sulfate, and the solvent was concentrated under reduced pressure. Then, the mixture was developed using a silica gel (40 x 10 cm) using a 2: 5 mixed solvent of ethyl acetate and hexane to form a white solid (4-methyl). -1,2-phenylene) dimethanol (3.73 g, 80%) was obtained.

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.21-7.11 (m, 3H), 4.62 (s, 4H), 3.48 (brs, 1H), 3.40 (brs, 1H), 2.34 (s, 3H) 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.21-7.11 (m, 3H), 4.62 (s, 4H), 3.48 (brs, 1H), 3.40 (brs, 1H), 2.34 (s, 3H)

1,2-1,2- 비스Vis (( 브로모메틸Bromomethyl )-4-메틸벤젠 [1,2-) -4-methylbenzene [1,2- bisbis (( bromomethylbromomethyl )-4-)-4- methylbenzenemethylbenzene ] 의 제조Manufacture of

(4-메틸-1,2-페닐렌)디메탄올 (3 g, 19.71 mmol), 테트라브로모메탄 (Tetrabromomethane, 13.08 g, 39.42 mmol), 트리페닐포스핀 (Triphenylphosphine, 10.34 g, 39.42 mmol)을 사염화탄소(tetrachloromethane) 150 mL에 용해하여 상온에서 24시간 반응시킨다. 반응 후 감압하에서 용매를 농축하고, 에틸아세테이트로 2회 세척하고, 다시 증류수로 1회 세척하였다. 유기층을 분리하여 황산나트륨으로 건조한 후, 감압하에서 용매를 농축하고 실리카겔을 이용해 컬럼크로마토그래피 (40 x 10 cm)를 사용하여 에틸아세테이트와 헥산의 2:5 혼합용매를 이용해 전개하여 흰색고체 1,2-비스(브로모메틸)-4-메틸벤젠 (1.44 g, 26%) 고체를 얻었다.(4-methyl-1,2-phenylene) dimethanol (3 g, 19.71 mmol), tetrabromomethane (1308 g, 39.42 mmol), triphenylphosphine (10.34 g, 39.42 mmol) It is dissolved in 150 mL of tetrachloromethane and reacted at room temperature for 24 hours. After the reaction, the solvent was concentrated under reduced pressure, washed twice with ethyl acetate, and once again with distilled water. The organic layer was separated, dried over sodium sulfate, and the solvent was concentrated under reduced pressure. Then, the mixture was developed using a silica gel (40 x 10 cm) using a 2: 5 mixed solvent of ethyl acetate and hexane to develop a white solid 1,2- Bis (bromomethyl) -4-methylbenzene (1.44 g, 26%) solid was obtained.

딜스Dills -- 알더반응(Diels- Alder reaction)을The Alels-Alder reaction 이용한  Used C60C60 유도체의 제조 Preparation of Derivatives

1,2-비스(브로모메틸)-4-메틸벤젠 (0.76 g, 2.76 mmol), 요오드화 칼륨 (KI, 0.69 g, 4.17 mmol), 18-크라운-6 (1.82 g, 6.9 mmol), 플러렌 C60 (Fullerene C60, 0.5 g, 0.69 mmol)을 톨루엔 (100 mL)에 용해하여 110oC에서 환류하며 24 시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 감압하에서 용매를 농축하고, 디클로로메 탄(dichloromethane)으로 2회 세척하고, 다시 증류수로 1회 세척하였다. 유기층을 분리하여 황산나트륨으로 건조한 후, 감압 하에서 용매를 농축하고 실리카겔을 이용해 컬럼크로마토그래피 (40 x 10 cm)를 사용하여 벤젠과 헥산의 2:7 혼합용매를 이용해 전개하여 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-adduct) (10 mg)과 디-부가물(di-adduct) (화합물 1-2, 7 mg)을 얻었다.1,2-bis (bromomethyl) -4-methylbenzene (0.76 g, 2.76 mmol), potassium iodide (KI, 0.69 g, 4.17 mmol), 18-crown-6 (1.82 g, 6.9 mmol), fullerene C60 (Fullerene C60, 0.5 g, 0.69 mmol) was dissolved in toluene (100 mL) and reacted at 110 ° C. under reflux for 24 hours. After the reaction was completed, the solvent was concentrated under reduced pressure, washed twice with dichloromethane, and once again with distilled water. The organic layer was separated, dried over sodium sulfate, and the solvent was concentrated under reduced pressure, and then expanded using a silica gel (40 x 10 cm) using a 2: 7 mixed solvent of benzene and hexane to expand the solvent to a brown solid mono-adduct. (mono-adduct) (10 mg) and di-adduct (compounds 1-2, 7 mg) were obtained.

Di-adduct(화합물 1-2):Di-adduct (Compound 1-2):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.59-7.32 (m, 2H), 7.52 (s, 2H), 7.41-7.33 (m, 2H), 4.81-4.77 (m, 4H), 4.42-4.38 (m, 4H), 2.55 (s, 6H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.59-7.32 (m, 2H), 7.52 (s, 2H), 7.41-7.33 (m, 2H), 4.81-4.77 (m, 4H), 4.42-4.38 (m , 4H), 2.55 (s, 6H).

FABMS m/z: 957 (M++1); calcd. (C78H20) 956.FABMS m / z : 957 (M + +1); calcd. (C 78 H 20 ) 956.

[[ 제조예Production Example 3] 화합물 1-3의 제조 3] Preparation of Compound 1-3

Figure 112009032559917-PAT00020
Figure 112009032559917-PAT00020

디메틸 4,5-Dimethyl 4,5- 디메틸시클로헥사Dimethylcyclohexa -1,4--1,4- 디엔Dien -1,2--1,2- 디카르복실레이트Dicarboxylate [ [ DimethylDimethyl 4,5-dimethylcyclohexa-1,4-diene-1,2-dicarboxylate]의 제조 Preparation of 4,5-dimethylcyclohexa-1,4-diene-1,2-dicarboxylate]

디메틸 아세틸렌디카르복실레이트 (Dimethyl acetylendicarboxylate, 5 g, 35.18 mmol)을 벤젠 (50 mL)에 용해한 후 , 질소 하에서 2,3-디메틸-1,3-부타디엔 (2,3-Dimethyl-1,3-butadiene, 2.72 g, 33.07 mmol)을 첨가하여 24시간 환류교반 시킨다. 반응 후 반응 후 감압하에서 용매를 농축하고, 에틸아세테이트로 2회 세척하고, 다시 증류수로 1회 세척하였다. 유기층을 분리하여 황산나트륨으로 건조한 후, 감압하에서 용매를 농축하고 실리카겔을 이용해 컬럼크로마토그래피 (40 x 10 cm)를 사용하여 에틸아세테이트와 헥산의 1:5 혼합용매를 이용해 전개하여 흰색고체의 디메틸 4,5-디메틸시클로헥사-1,4-디엔-1,2-디카르복실레이트 (5.68 g, 72%)를 얻었다.Dimethyl acetylendicarboxylate (5 g, 35.18 mmol) is dissolved in benzene (50 mL), and then under nitrogen, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene (2,3-Dimethyl-1,3- butadiene, 2.72 g, 33.07 mmol) was added and the mixture was stirred at reflux for 24 hours. After the reaction After the reaction the solvent was concentrated under reduced pressure, washed twice with ethyl acetate, once again with distilled water. The organic layer was separated, dried over sodium sulfate, and the solvent was concentrated under reduced pressure. Then, the mixture was developed with a silica gel (40 x 10 cm) using a 1: 5 mixed solvent of ethyl acetate and hexane to form a dimethyl 4, white solid. 5-Dimethylcyclohexa-1,4-diene-1,2-dicarboxylate (5.68 g, 72%) was obtained.

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 3.77 (s, 6H), 2.92 (s, 4H), 1.66 (s, 6H) 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 3.77 (s, 6H), 2.92 (s, 4H), 1.66 (s, 6H)

디메틸 4,5-디메틸벤젠-1,2-디카르복실레이트 [Dimethyl 4,5-Dimethylbenzene-1,2-dicarboxylate]의 제조Preparation of Dimethyl 4,5-dimethylbenzene-1,2-dicarboxylate [Dimethyl 4,5-Dimethylbenzene-1,2-dicarboxylate]

디메틸 4,5-디메틸시클로헥사-1,4-디엔-1,2-디카르복실레이트 (Dimethyl 4,5-dimethylcyclohexa-1,4-diene-1,2-dicarboxylate, 2 g, 8.92 mmol) 에 클로로벤젠 50 mL에 용해 후, 상온에서 DDQ (2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone 4 g, 17.84 mmol)을 조금씩 천천히 첨가한 뒤 24시간 환류 교반시킨다. 반응 후 감압하에서 용매를 농축하고, 에틸아세테이트로 2회 세척하고, 다시 증류수로 1회 세척하였다. 유기층을 분리하여 황산나트륨으로 건조한 후, 감압하에서 용매를 농축 하고 실리카겔을 이용해 컬럼크로마토그래피 (40 x 10 cm)를 사용하여 에틸아세테이트와 헥산의 1:5 혼합용매를 이용해 전개하여 투명오일형태의 디메틸 4,5-디메틸벤젠-1,2-디카르복실레이트 (1.29 g, 65%)를 얻었다.To dimethyl 4,5-dimethylcyclohexa-1,4-diene-1,2-dicarboxylate (Dimethyl 4,5-dimethylcyclohexa-1,4-diene-1,2-dicarboxylate, 2 g, 8.92 mmol) After dissolving in 50 mL of chlorobenzene, DDQ (2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone 4 g, 17.84 mmol) was slowly added slowly at room temperature, followed by stirring under reflux for 24 hours. After the reaction, the solvent was concentrated under reduced pressure, washed twice with ethyl acetate, and once again with distilled water. The organic layer was separated, dried over sodium sulfate, and the solvent was concentrated under reduced pressure. Then, the mixture was developed with a silica gel (40 x 10 cm) using a 1: 5 mixed solvent of ethyl acetate and hexane to develop a transparent oil. , 5-dimethylbenzene-1,2-dicarboxylate (1.29 g, 65%) was obtained.

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.49 (s, 2H), 3.88 (s, 6H), 2.31 (s, 6H) 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.49 (s, 2H), 3.88 (s, 6H), 2.31 (s, 6H)

1,2-비스(브로모메틸)-4,5-디메틸벤젠 [1,2-bis(bromomethyl)-4,5-dimethylbenzene]의 제조Preparation of 1,2-bis (bromomethyl) -4,5-dimethylbenzene [1,2-bis (bromomethyl) -4,5-dimethylbenzene]

LAH (0.54 g, 14.29 mmol)에 건조된 테트라하이드로퓨란 (20 mL)를 -78oC에서 넣어주고, 디메틸 4,5-디메틸벤젠-1,2-디카르복실레이트 (1.27 g, 5.71 mmol)를 건조된 테트라하이드로퓨란 (10 mL)에 용해하여, 위 반응액에 천천히 첨가한 뒤, 반응온도를 서서히 상온으로 올린 후 24시간 동안 환류 교반시킨다. 반응 후 수산화나트륨 용액으로 냉각 후 감압하에 용매를 농축하고, 에틸아세테이트로 2회 세척하고, 다시 증류수로 1회 세척하였다. 유기층을 분리하여 황산나트륨으로 건조한 후, 감압하에서 용매를 농축하여 흰색 고체의 (4,5-디메틸-1,2-페닐렌)디메탄올((4,5-dimethyl-1,2-phenylene)dimethanol, 0.95 g, 정량적)을 얻었다. 여기에 트리브로모포스핀(tribromophosphine)을 이용하여 브롬화 반응시켜 1,2-비스(브로모메틸)-4,5-디메틸 벤젠을 56%의 수득유로 얻었다.Into LAH (0.54 g, 14.29 mmol) was added dried tetrahydrofuran (20 mL) at -78 o C, dimethyl 4,5-dimethylbenzene-1,2-dicarboxylate (1.27 g, 5.71 mmol) Was dissolved in dried tetrahydrofuran (10 mL), and slowly added to the reaction solution, and then the reaction temperature was slowly raised to room temperature and stirred under reflux for 24 hours. After the reaction, the mixture was cooled with sodium hydroxide solution, concentrated under reduced pressure, washed twice with ethyl acetate, and then washed once with distilled water. The organic layer was separated, dried over sodium sulfate, and the solvent was concentrated under reduced pressure to give (4,5-dimethyl-1,2-phenylene) dimethanol ((4,5-dimethyl-1,2-phenylene) dimethanol, 0.95 g, quantitative). It was then brominated with tribromophosphine to give 1,2-bis (bromomethyl) -4,5-dimethyl benzene as 56% oil.

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.13 (s, 2H), 4.27 (s, 4H), 2.23 (s, 6H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.13 (s, 2H), 4.27 (s, 4H), 2.23 (s, 6H).

딜스Dills -- 알더반응(Diels- Alder reaction)을The Alels-Alder reaction 이용한  Used C60C60 유도체의 제조 Preparation of Derivatives

1,2-비스(브로모메틸)-4,5-디메틸벤젠 (0.6 g, 2.06 mmol), 요오드화칼륨 (KI, 0.69 g, 4.17 mmol), 18-크라운-6 (1.82 g, 6.9 mmol), 플러렌 60 (Fullerene C60, 0.5 g, 0.69 mmol)를 사용하여 제조예 2와 동일한 방법으로 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-adduct, 9 mg)과 디-부가물(di-adduct, 화합물 1-3, 5 mg)을 얻었다.1,2-bis (bromomethyl) -4,5-dimethylbenzene (0.6 g, 2.06 mmol), potassium iodide (KI, 0.69 g, 4.17 mmol), 18-crown-6 (1.82 g, 6.9 mmol), Using a fullerene 60 (Fullerene C60, 0.5 g, 0.69 mmol) mono-adduct (mono-adduct, 9 mg) and di-adduct (compound 1-) in the brown solid phase in the same manner as in Preparation Example 2 3, 5 mg).

Di-adduct(화합물 1-3):Di-adduct (Compound 1-3):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.59-7.52 (m, 4H), 4.55-4.36 (m, 8H), 2.64-2.51 (m, 6H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.59-7.52 (m, 4H), 4.55-4.36 (m, 8H), 2.64-2.51 (m, 6H).

FABMS m/z: 984 (M+); calcd. (C78H20), 984.FABMS m / z : 984 (M + ); calcd. (C 78 H 20 ), 984.

[[ 제조예Production Example 4] 화합물 1-4의 제조 4] Preparation of Compound 1-4

Figure 112009032559917-PAT00021
Figure 112009032559917-PAT00021

2,3-2,3- 비스(브로모메틸)나프탈렌Bis (bromomethyl) naphthalene [2,3-bis( [2,3-bis ( bromomethylbromomethyl )) naphthalenenaphthalene ]의 제조Manufacture of

2,3-디메틸나프탈렌 (2,3-Dimethylnaphthalene, 3 g, 19.2 mmol), N-브로모석신이미드 (N-Bromosuccimide , 6.84 g, 38.4 mmol), 2,2'-아조비스(2-메틸프로피 오나이트릴(AIBN, 321 mg, 0.19 mmol)을 사염화탄소 (60 mL)에 용해하여 80oC에서 환류하며 24 시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 감압하에서 용매를 농축하고, 헥산으로 재결정하여 연한 베이지색 고체의 2,3-비스브로모메틸나프탈렌 (4.47 g, 74%)를 얻었다.2,3-dimethylnaphthalene (2,3-Dimethylnaphthalene, 3 g, 19.2 mmol), N-bromosuccinimide (N-Bromosuccimide, 6.84 g, 38.4 mmol), 2,2'-azobis (2-methyl Propionitrile (AIBN, 321 mg, 0.19 mmol) was dissolved in carbon tetrachloride (60 mL) and reacted for 24 hours at reflux at 80 ° C. After completion of the reaction, the solvent was concentrated under reduced pressure, recrystallized with hexane, 2,3-bisbromomethylnaphthalene (4.47 g, 74%) was obtained as a beige solid.

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.86 (s, 2H), 7.81-7.78 (m, 2H), 7.52-7.49 (m, 2H), 4.87 (s, 4H) 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.86 (s, 2H), 7.81-7.78 (m, 2H), 7.52-7.49 (m, 2H), 4.87 (s, 4H)

딜스Dills -- 알더반응(Diels- Alder reaction)을The Alels-Alder reaction 이용한  Used C60C60 유도체의 제조 Preparation of Derivatives

2,3-비스브로모메틸나프탈렌 (2,3-bis(bromomethyl)naphthalene, 1.3 g, 4.17 mmol), 요오드화칼륨 (KI, 0.69 g, 4.17 mmol), 18-Crown-6 (1.82 g, 6.9 mmol), 플러렌 C60 ( Fullerene C60, 0.5 g, 0.69 mmol)를 사용하여 제조예 2와 동일한 방법을 통해 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-adduct) (140 mg, 20%) 및 디-부가물(di-adduct) (화합물 1-4, 85mg, 10%)을 얻었다.2,3-bisbromomethylnaphthalene (2,3-bis (bromomethyl) naphthalene, 1.3 g, 4.17 mmol), potassium iodide (KI, 0.69 g, 4.17 mmol), 18-Crown-6 (1.82 g, 6.9 mmol ), Mono-adduct (140 mg, 20%) and di-addition of a brown solid in the same manner as in Preparation Example 2 using fullerene C60 (Fullerene C60, 0.5 g, 0.69 mmol) di-adduct) (Compound 1-4, 85 mg, 10%).

Di-adduct (화합물 1-4):Di-adduct (Compound 1-4):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.89-7.70 (m, 8H), 7.53-7.17 (m, 4H), 4.88-4.79 (m, 8H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.89-7.70 (m, 8H), 7.53-7.17 (m, 4H), 4.88-4.79 (m, 8H).

FABMS m/z: 1028 (M+H): calcd. (C84H20), 1028. FABMS m / z : 1028 (M + H): calcd. (C 84 H 20 ), 1028.

[[ 제조예Production Example 5] 화합물 1-5의 제조 5] Preparation of Compound 1-5

Figure 112009032559917-PAT00022
Figure 112009032559917-PAT00022

1,2-비스(브로모메틸)나프탈렌 [1,2-bis(bromomethyl)naphthalene]의 제조Preparation of 1,2-bis (bromomethyl) naphthalene [1,2-bis (bromomethyl) naphthalene]

1,2-디메틸나프탈렌 (1,2-Dimethylnaphthalene, 2 g, 12.8 mmol), N-브로모석신이미드 (N-Bromosuccimide , 4.56 g, 25.6 mmol), 2,2'-아조비스(2-메틸프로피오나이트릴 (AIBN, 11 mg, 0.064 mmol)을 사용하여 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 1,2-비스(브로모메틸)나프탈렌 (3.5 g, 87%)를 얻었다.1,2-dimethylnaphthalene (1,2-Dimethylnaphthalene, 2 g, 12.8 mmol), N-bromosuccinimide (N-Bromosuccimide, 4.56 g, 25.6 mmol), 2,2'-azobis (2-methyl 1,2-bis (bromomethyl) naphthalene (3.5 g, 87%) was obtained in the same manner as in Preparation Example 1 using propionitrile (AIBN, 11 mg, 0.064 mmol).

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 8.13 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.83 (t, J = 8.4 Hz, 2H), 7.66-7.60 (m, 1H), 7.55-7.50 (m, 1H), 7.42 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 5.09 (s, 2H), 4.76 (s, 2H) 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 8.13 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.83 (t, J = 8.4 Hz, 2H), 7.66-7.60 (m, 1H), 7.55-7.50 (m, 1H), 7.42 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 5.09 (s, 2H), 4.76 (s, 2H)

딜스-알더반응(Diels- Alder reaction)을 이용한 C60 유도체의 제조Preparation of C60 Derivatives by Diels-Alder Reaction

1,2-비스브로모메틸나프탈렌 (1,2-bis(bromomethyl)naphthalene, 0.87 g, 2.76 mmol), 요오드화칼륨 (KI, 0.69 g, 4.17 mmol), 18-Crown-6 (1.82 g, 6.9 mmol), 플러렌 C60 (Fullerene C60, 0.5 g, 0.69 mmol)를 사용하여 상기 제조예 2과 동일한 방법으로 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-adduct) (102 mg, 14%)와 디-부가물 (di-addcut) (화합물 1-5, 68 mg)를 얻었다.1,2-bisbromomethylnaphthalene (1,2-bis (bromomethyl) naphthalene, 0.87 g, 2.76 mmol), potassium iodide (KI, 0.69 g, 4.17 mmol), 18-Crown-6 (1.82 g, 6.9 mmol ), Mono-adduct (102 mg, 14%) and di-additive of brown solid phase in the same manner as in Preparation Example 2 using fullerene C60 (Fullerene C60, 0.5 g, 0.69 mmol) di-addcut) (compound 1-5, 68 mg) were obtained.

Di-adduct (화합물 1-5): Di-adduct (Compound 1-5):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 8.75-7.48 (m, 12H), 5.29-4.01 (m, 8H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 8.75-7.48 (m, 12H), 5.29-4.01 (m, 8H).

FABMS m/z: 1028 (M+H): calcd. (C84H20), 1028.FABMS m / z : 1028 (M + H): calcd. (C 84 H 20 ), 1028.

[[ 제조예Production Example 6] 화합물 1-6의 제조 6] Preparation of Compound 1-6

Figure 112009032559917-PAT00023
Figure 112009032559917-PAT00023

플러렌 C60 대신에 플러렌 70 (Fullerene C70, 0.5 g, 0.69 mmol)을 사용한 것을 제외하면 제조예 1에서와 같은 방법으로 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-addcut) (112 mg, 18%)와 디-부가물(di-adduct) (화합물 1-6, 220 mg, 35%) 을 얻었다.Mono-addcut (112 mg, 18%) and diol in brown solid phase in the same manner as in Preparation Example 1, except fullerene 70 (Fullerene C70, 0.5 g, 0.69 mmol) was used instead of fullerene C60. -Di-adduct (compound 1-6, 220 mg, 35%) was obtained.

Di-adduct (화합물 1-6): Di-adduct (Compound 1-6):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.58-7.36 (m, 8H), 4.18-3.66 (m, 8H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.58-7.36 (m, 8H), 4.18-3.66 (m, 8H).

FABMS m/z: 1048 (M+H): calcd. (C86H16), 1048.FABMS m / z : 1048 (M + H): calcd. (C 86 H 16 ), 1048.

[[ 제조예Production Example 7] 화합물 1-7의 제조 7] Preparation of Compound 1-7

Figure 112009032559917-PAT00024
Figure 112009032559917-PAT00024

플러렌 C60대신에 플러렌 C70 (0.58g, 0.69 mmol)을 사용한 것을 제외하면 제조예 2에서와 같은 방법으로 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-addcut) (23 mg)과 디-부가물(di-adduct) (화합물 1-7, 15 mg)을 얻었다.Mono-addcut (23 mg) and di-addition of brown solid phase in the same manner as in Preparation Example 2 except that fullerene C70 (0.58 g, 0.69 mmol) was used instead of fullerene C60. adduct) (Compound 1-7, 15 mg).

Di-adduct (화합물 1-7): Di-adduct (Compound 1-7):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.60-7.29 (m, 2H), 7.55-7.47 (m, 2H), 7.41-7.30 (m, 2H), 4.83-4.72 (m, 4H), 4.45-4.33 (m, 4H), 2.59-2.44 (m, 6H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.60-7.29 (m, 2H), 7.55-7.47 (m, 2H), 7.41-7.30 (m, 2H), 4.83-4.72 (m, 4H), 4.45-4.33 (m, 4H), 2.59-2.44 (m, 6H).

FABMS m/z: 1076 (M+); calcd. (C88H20) 1076.FABMS m / z : 1076 (M + ); calcd. (C 88 H 20 ) 1076.

[[ 제조예Production Example 8] 화합물 1-8의 제조 8] Preparation of Compound 1-8

Figure 112009032559917-PAT00025
Figure 112009032559917-PAT00025

플러렌 C60대신에 플러렌 C70 (0.58g, 0.69 mmol)을 사용한 것을 제외하면 제조예 3에서와 같은 방법으로 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-addcut) (19 mg)과 디-부가물(di-adduct) (화합물 1-8, 25 mg)을 얻었다.Mono-addcut (19 mg) and di-addition of brown solid phase in the same manner as in Preparation Example 3, except that fullerene C70 (0.58 g, 0.69 mmol) was used instead of fullerene C60. adduct) (Compound 1-8, 25 mg).

Di-adduct (화합물 1-8): Di-adduct (Compound 1-8):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.57-7.47 (m, 4H), 4.59-4.29 (m, 8H), 2.61-2.57 (m, 6H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.57-7.47 (m, 4H), 4.59-4.29 (m, 8H), 2.61-2.57 (m, 6H).

FABMS m/z: 1104 (M+); calcd. (C90H24), 1104.FABMS m / z : 1104 (M + ); calcd. (C 90 H 24 ), 1104.

[[ 제조예Production Example 9] 화합물 1-9의 제조 9] Preparation of Compound 1-9

Figure 112009032559917-PAT00026
Figure 112009032559917-PAT00026

플러렌 C60대신에 플러렌 C70 (0.58g, 0.69 mmol)을 사용한 것을 제외하면 제조예 4에서와 같은 방법으로 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-addcut) (85 mg, 12%) 및 디-부가물(di-adduct) (화합물 1-9, 168mg, 21%)을 얻었다.Mono-addcut (85 mg, 12%) and di-additive in brown solid phase in the same manner as in Preparation Example 4, except fullerene C70 (0.58 g, 0.69 mmol) was used instead of fullerene C60. (di-adduct) (compound 1-9, 168 mg, 21%) was obtained.

Di-adduct (화합물 1-9): Di-adduct (Compound 1-9):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 7.93-7.65 (m, 8H), 7.59-7.10 (m, 4H), 4.91-4.70 (m, 8H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 7.93-7.65 (m, 8H), 7.59-7.10 (m, 4H), 4.91-4.70 (m, 8H).

FABMS m/z: 1148 (M+H): calcd. (C84H20), 1148. FABMS m / z : 1148 (M + H): calcd. (C 84 H 20 ), 1148.

[[ 제조예Production Example 10] 화합물 1-10의 제조 10] Preparation of Compound 1-10

Figure 112009032559917-PAT00027
Figure 112009032559917-PAT00027

플러렌 C60대신에 플러렌 C70 (0.58 g, 0.69 mmol)을 사용한 것을 제외하면 제조예 4에서와 같은 방법으로 갈색 고체상의 모노-부가물(mono-addcut) (77 mg, 11%)와 디-부가물(di-adduct) (화합물 1-10, 192 mg, 24%)를 얻었다.Mono-addcut (77 mg, 11%) and di-additive in brown solid phase in the same manner as in Preparation Example 4, except fullerene C70 (0.58 g, 0.69 mmol) was used instead of fullerene C60. (di-adduct) (compound 1-10, 192 mg, 24%) was obtained.

Di-adduct (화합물 1-10): Di-adduct (Compound 1-10):

1H-NMR 300 MHz (CDCl3) δ 8.79-7.43 (m, 12H), 5.31-4.00 (m, 8H). 1 H-NMR 300 MHz (CDCl 3 ) δ 8.79-7.43 (m, 12H), 5.31-4.00 (m, 8H).

FABMS m/z: 1148 (M+H): calcd. (C84H20), 1148.FABMS m / z : 1148 (M + H): calcd. (C 84 H 20 ), 1148.

[[ 실시예Example 1]  One] 플러렌Fullerene 유도체 화합물의 전기화학적 특성 Electrochemical Properties of Derivative Compounds

상기 제조예 1, 제조예 5 및 제조예 6에서 제조된 플러렌 화합물들의 전기화학적 특성을 관찰하기 위해 Cyclovoltameter(CV)를 이용한 산화/환원 특성을 관찰하였다. CV 장비는 BAS 100 cyclovoltametry를 이용하였으며, 전해질로는 0.1M의 Bu4NBF4(Tetrabutylammonium tetrafluoroborate)와 아세토니트릴(Acetonitrile) 용 매를 사용하였고, 시료는 10-3M의 농도로 1,2-디클로로벤젠에 녹였다. 상온에서 Ar하에서 100 mV/s의 스캔속도로 측정하였고, 유리탄소전극 (직경 0.3mm)을 워킹 전극으로 사용하였으며, Pt과 Ag/AgCl 전극을 카운터 전극과 레퍼런스 전극으로 사용하여 그 결과를 도 1 및 하기 표 1에 나타내었다.In order to observe the electrochemical properties of the fullerene compounds prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 5 and Preparation Example 6, the oxidation / reduction characteristics using a cyclovoltameter (CV) were observed. CV equipment was BAS 100 cyclovoltametry, 0.1M Bu 4 NBF 4 (Tetrabutylammonium tetrafluoroborate) and acetonitrile (Acetonitrile) solvent was used as the electrolyte, the sample was 1,2-dichloro at a concentration of 10 -3 M Dissolved in benzene. Measured at a scan rate of 100 mV / s under Ar at room temperature, using a glass carbon electrode (0.3 mm in diameter) as a working electrode, using a Pt and Ag / AgCl electrode as a counter electrode and a reference electrode Figure 1 And in Table 1 below.

[표 1] 방향족융합고리를 포함하는 플러렌 화합물의 전기화학적 특성[Table 1] Electrochemical Properties of Fullerene Compounds Containing Aromatic Fusion Rings

Figure 112009032559917-PAT00028
Figure 112009032559917-PAT00028

a 반파전위(Half wave potential)은 페로센(Ferrocene) 기준 물질을 이용하여 0.1M의 Bu4NPF6 CH2Cl2 용액하에서 얻었음. a Half wave potential was determined using a Ferrocene reference material with 0.1 M Bu 4 NPF 6 Obtained under CH 2 Cl 2 solution.

b 페로센(Ferrocene)의 에너지 준위를 -4.8 eV로 계산한 값. b Energy level of Ferrocene calculated as -4.8 eV.

일반적으로 유기태양전지의 개방전압 (Voc)은 도너재료의 HOMO 에너지 준위와 억셉터 재료의 LUMO 에너지 준위의 차이에서 기인하는 것으로 알려져 있다 (C.J. Brabec et al, Adv . Func . Mater ., 2001, 11, 374). 표 1에서 보는 바와 같 이, 본 발명의 방향족융합고리를 포함하는 플러렌 화합물들은 기존 PCBM 대비 0.18~0.20 eV 정도 높은 LUMO 에너지 준위를 가지고 있어 유기태양전지 소자에서 보다 높은 개방전압을 얻을 수 있다. In general, the open circuit voltage (Voc) of organic solar cells is known to be due to the difference between the HOMO energy level of the donor material and the LUMO energy level of the acceptor material (CJ Brabec et al, Adv . Func . Mater . , 2001, 11 , 374). As shown in Table 1, the fullerene compounds including the aromatic fused ring of the present invention have a LUMO energy level of about 0.18 to 0.20 eV higher than that of the conventional PCBM, thereby obtaining a higher open voltage in the organic solar cell device.

[실시예 2] P3HT와 화합물 1-1을 광활성층으로 이용한 유기태양전지 소자Example 2 Organic Solar Cell Device Using P3HT and Compound 1-1 as Photoactive Layers

세척된 ITO(Indium Tin Oxide) 유리기판 (표면저항 7 Ω/sq) 상에 PEDOT-PSS (Bayer Baytron P, Al 4083)을 40 nm정도 스핀코팅한 후, 폴리(3-헥실티오펜) [Poly-3-(hexylthiophene),P3HT, Rieke Metal사]과 본 발명에서 제조된 방향족융합고리를 포함하는 플러렌(화합물 1-1)을 1,2-디클로로벤젠이나 클로로벤젠, 클로로포름 단독 혹은 이들의 혼합용매에 녹여 스핀코팅 등의 방법을 통해 유기 박막을 형성하였다. 이렇게 형성된 유기막 위에 LiF/Al을 전극으로 각각 0.7 nm와 120 nm를 진공 하에서 증착한 후, 흡습제를 부착한 유리 캡으로 봉지하였다. 봉지된 소자는 150℃하에서 10분간 열처리(annealing) 한 후, Newport사의 Class A급 인공태양광(solar simulator)을 이용하여 AM 1.5G 100 mW/cm2의 광원하에서 I-V 특성을 측정하였다. 광원의 광량은 Bunkoh-Keiki사의 BS520 실리콘 포토다이오드를 이용하여 보정하였다.After spin-coating PEDOT-PSS (Bayer Baytron P, Al 4083) about 40 nm on an indium tin oxide (ITO) glass substrate (surface resistance of 7 μs / sq), poly (3-hexylthiophene) [Poly Fullerene (Compound 1-1) containing -3- (hexylthiophene), P3HT, and Rieke Metal Co., Ltd. and the aromatic fused ring prepared in the present invention may be 1,2-dichlorobenzene, chlorobenzene, chloroform alone or a mixed solvent thereof. Melted in to form an organic thin film by spin coating or the like. LiF / Al was deposited on the organic film thus formed as an electrode at 0.7 nm and 120 nm under vacuum, and then encapsulated with a glass cap attached with a moisture absorbent. The encapsulated device was annealed at 150 ° C. for 10 minutes, and then IV characteristics were measured under a light source of AM 1.5G 100 mW / cm 2 using Newport's Class A artificial solar simulator. Light quantity of the light source was corrected using a BS520 silicon photodiode of Bunkoh-Keiki.

그 결과, 유기태양전지 소자의 전기화학적 특성은 도 2와 같으며, 하기 표 2에서 정리하였다.As a result, the electrochemical characteristics of the organic solar cell device are as shown in Figure 2, summarized in Table 2 below.

[실시예 3] P3HT와 화합물 1-6을 광활성층으로 이용한 유기태양전지 소자Example 3 Organic Solar Cell Device Using P3HT and Compound 1-6 as Photoactive Layers

광활성층 억셉터 재료로서 화합물 1-1 대신 화합물 1-6을 사용한 것을 제외하면 실시예 2에서와 같다.As in Example 2, except that Compound 1-6 was used instead of Compound 1-1 as the photoactive layer acceptor material.

그 결과, 유기태양전지 소자의 전기화학적 특성은 도 2와 같으며, 하기 표 2에서 정리하였다.As a result, the electrochemical characteristics of the organic solar cell device are as shown in Figure 2, summarized in Table 2 below.

[비교예 1] P3HT와 PCBM을 광활성층으로 이용한 유기태양전지 소자Comparative Example 1 Organic Solar Cell Device Using P3HT and PCBM as Photoactive Layer

광활성층 억셉터 재료로서 화합물 1-1 대신 PCBM을 사용한 것을 제외하면 실시예 2에서와 같다.As in Example 2, except that PCBM was used instead of Compound 1-1 as the photoactive layer acceptor material.

그 결과, 유기태양전지 소자의 전기화학적 특성은 도 2와 같으며, 하기 표 2에서 정리하였다.As a result, the electrochemical characteristics of the organic solar cell device are as shown in Figure 2, summarized in Table 2 below.

일반적으로 태양전지의 에너지 변화효율 (PCE, power conversion efficiency)는 하기 계산식 1을 통하여 구할 수 있다.In general, the energy conversion efficiency (PCE, power conversion efficiency) of the solar cell can be obtained through the following equation (1).

[계산식 1][Calculation 1]

Figure 112009032559917-PAT00029
Figure 112009032559917-PAT00029

[상기 계산식 1에서, Voc는 개방전압 (open circuit voltage, V)로서 전류가 흐르지 않는 상태에서의 전압을 나타내며; Jsc는 단락전류밀도 (short circuit current density, mA/cm2)로서 0 V에서의 전류밀도를 나타내며; FF는 fill factor로서 최대 전력치를 VocJsc의 곱으로 나눈 값이며; Pinc는 쪼여준 빛의 세기 (mW/cm2)를 나타낸다.][Equation 1, Voc represents an open circuit voltage (V), a voltage in a state in which no current flows; Jsc is short circuit current density (mA / cm 2 ), indicating current density at 0 V; FF is the fill factor, the maximum power divided by the product of Voc and Jsc ; Pinc represents the light intensity (mW / cm 2 ) split.]

[표 2] P3HT와의 혼합을 통해 제작된 유기태양전지 소자의 특성 비교.[Table 2] Comparison of characteristics of organic solar cell devices manufactured by mixing with P3HT.

Figure 112009032559917-PAT00030
Figure 112009032559917-PAT00030

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 방향족융합고리를 포함하는 플러렌 화합물을 이용한 소자의 경우, 기존의 PCBM 대비 높은 Voc 값을 보여주는 것을 확인 할 수 있었다. 특히, 화합물 1-1과 1-6 등의 디-부가물(di-adduct)을 전자받게 재료로 이용할 경우, 각각 0.267 V와 0.276 V의 높은 Voc 값을 얻을 수 있었으며, 이는 PCBM을 전자받게 재료로 이용한 유기태양전지 소자의 개방전압과 비교하여 50% 정도 향상된 결과이다. 이렇게 개선된 개방전압으로 인해 단락전류는 PCBM 대비 유사하지만, 유기태양전지 소자의 에너지 변환효율은 PCBM일 때 2.99%였던 것이 5% 정도로 개선된 것을 알 수 있다.As shown in Table 2, in the case of a device using a fullerene compound containing the aromatic fused ring of the present invention, it can be seen that showing a higher Voc value than the conventional PCBM. In particular, when using di-adducts such as compounds 1-1 and 1-6 as electron acceptor materials, high Voc values of 0.267 V and 0.276 V, respectively, were obtained. The result is a 50% improvement compared to the open circuit voltage of the organic solar cell device. Due to the improved open-circuit voltage, the short-circuit current is similar to that of PCBM, but the energy conversion efficiency of the organic solar cell device is 2.99% when the PCBM is improved by about 5%.

또한, IPCE (내부 에너지 변환효율)를 측정한 결과, 화합물 1-1을 전자받게 재료로 이용한 소자가 PCBM을 전자받게 재료로 이용한 소자대비 350~480 nm 영역에서는 다소 낮은 값을, 570~650 nm 의 영역에서는 보다 높은 값을 보여주었으며, 최고 효율은 60% 정도로 유사한 결과를 얻었다. 이 결과를 통해 두 소자의 Jsc(short-circuit current)가 유사한 결과를 검증할 수 있었다 (도 3).In addition, as a result of measuring the internal energy conversion efficiency (IPCE), the device using the compound 1-1 as the electron accepting material is somewhat lower in the 350 ~ 480 nm region than the device using the PCBM as the electron accepting material, 570 ~ 650 nm In the range of, the value was higher and the maximum efficiency was similar to 60%. Through this result, the short-circuit current (Jsc) of the two devices was able to verify similar results (FIG. 3).

본 발명의 방향족융합고리를 포함하는 플러렌 화합물은 합성이 용이하고, 전자의 이동도가 우수한 n-형 유기반도체 재료로서 유기태양전지의 억셉터재료로 높은 개방전압 (Voc)를 얻을 수 있는 소자를 제공하여 유기태양전지 소자의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있었으며, 용해도가 우수하여 저가 인쇄공정에 적합한 재료로서 대면적 고효율 유기태양전지의 제조에 적합할 것으로 기대된다.The fullerene compound including the aromatic fused ring of the present invention is an n-type organic semiconductor material which is easy to synthesize and has excellent electron mobility, and is a device capable of obtaining high open voltage (Voc) as an acceptor material of an organic solar cell. It was possible to improve the energy conversion efficiency of the organic solar cell device, it is expected to be suitable for the production of large-area high efficiency organic solar cell as a material suitable for low-cost printing process because of excellent solubility.

도 1은 본 발명의 화합물 1-1, 1-5, 1-6 및 PCBM의 Cyclicvoltamogram이고,1 is a Cyclicvoltamogram of Compounds 1-1, 1-5, 1-6 and PCBM of the present invention,

도 2는 본 발명의 실시예 2,3 및 비교예 1의 유기태양전지 특성을 비교한 것이고,Figure 2 compares the organic solar cell characteristics of Examples 2, 3 and Comparative Example 1 of the present invention,

도 3은 본 발명의 실시예 2와 비교예 1의 유기태양전지의 IPCE (내부 에너지 변환효율) 측정 결과를 비교한 것이다.Figure 3 compares the results of the measurement of IPCE (internal energy conversion efficiency) of the organic solar cell of Example 2 and Comparative Example 1 of the present invention.

Claims (6)

하기 화학식 1의 화합물의 유기태양전지 소자용 플러렌 유도체.Fullerene derivative for an organic solar cell device of the compound of Formula 1. [화학식 1][Formula 1]
Figure 112009032559917-PAT00031
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[상기 화학식 1에서, R1 내지 R4 는 독립적으로 수소원자 및 직쇄 또는 분쇄의 (C1-C20)알킬로부터 선택되거나, 인접한 치환체와 (C4-C8)알케닐렌으로 연결되어 방향족융합고리를 형성하거나, 상기 알케닐렌은 산소 원자, 질소 원자 또는 황 원자로부터 선택되는 1개 내지 3개의 헤테로원자로 치환되어 헤테로방향족융합고리를 형성하며; A는 C60 또는 C70의 플러렌이다.][In Formula 1, R 1 to R 4 are independently selected from a hydrogen atom and linear or crushed (C1-C20) alkyl, or are connected to adjacent substituents with (C4-C8) alkenylene to form an aromatic fused ring The alkenylene is substituted with 1 to 3 heteroatoms selected from an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom to form a heteroaromatic fused ring; A is the fullerene of C60 or C70.]
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 화학식 1에서, R1 내지 R4 는 독립적으로 수소 및 메틸로부터 선택되거 나, R2 및 R3은 C4의 알케닐렌으로 연결되어 방향족융합고리를 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자용 플러렌 유도체.In Chemical Formula 1, R 1 to R 4 are independently selected from hydrogen and methyl, or R 2 and R 3 are connected to alkenylene of C 4 to form an aromatic fused ring fullerene for an organic solar cell device. derivative. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자용 플러렌 유도체.The compound of formula 1 is a fullerene derivative for an organic solar cell device, characterized in that selected from the following compounds.
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제 1항 내지 제 3항에 따른 유기태양전지 소자용 플러렌 유도체를 포함하는 유기태양전지 소자.An organic solar cell device comprising a fullerene derivative for an organic solar cell device according to claim 1. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 유기태양전지 소자용 플러렌 유도체 화합물이 도판트인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.The organic solar cell device, characterized in that the fullerene derivative compound for organic solar cell device is a dopant. 제 1항 내지 제 3항에 따른 유기태양전지 소자용 플러렌 유도체를 용액공정 방식 및 증착 방식으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나에 의해 형성되는 유기태양전지 소자.An organic solar cell device formed by any one selected from the group consisting of a solution process method and a deposition method of the fullerene derivative for an organic solar cell device according to claim 1.
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