KR20130090304A - 방향족융합고리 화합물 및 이를 이용한 유기 태양전지 - Google Patents

방향족융합고리 화합물 및 이를 이용한 유기 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방향족융합고리 화합물 및 상기 방향족융합고리 화합물을 광활성층에 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.

Description

방향족융합고리 화합물 및 이를 이용한 유기 태양전지 {HETEROFUSED-RING COMPOUND AND ORGANIC SOLAR CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 방향족융합고리 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 나뉠 수 있다. 전형적인 태양전지는 무기 반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자와 정공은 p-n 접합점까지 확산되고 그 전계에 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 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기물 반도체 태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
유기 태양전지는 다양한 유기 반도체 재료를 소량으로 사용하므로 소재 비용 절감을 가져올 수 있고, 습식 공정으로 박막을 제조할 수 있어 손쉬운 방법으로 소자 제작이 가능하다.
유기 태양전지는 광활성층의 구조에 따라 p형 반도체 박막과 n형 반도체 박막의 두 개층으로 이루어진 광활성층을 포함하는 바이레이어(bi-layer) p-n 접합형 유기 태양전지와 n형 반도체와 p형 반도체가 블렌드된 광활성층을 포함하는 BHJ(bulk heterojunction) 접합형 유기 태양전지가 있다.
태양전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 엑시톤을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다. 전하가 손실되는 원인 중의 하나가 생성된 전자 및 정공이 재결합(recombination)에 의해 소멸하는 것이다. 생성된 전자나 정공이 손실되지 않고 전극에 전달되기 위한 방법으로 다양한 방법이 제시되고 있으나, 대부분 추가 공정이 요구되고 이에 따라 제조 비용이 상승할 수 있다.
일본 공개특허공보 1994-085294 미국 등록특허공보 5454880 미국 등록특허공보 5331183
C.W.Tang. (1996). Two-layer organig photovoltaic cell. Appl. Phys. Lett., 48, 183 G.Yu, J.Gao, J.C.Hummelen, F.Wudl and A.J.Heeger. (1995). Efficiencies via Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions. Science, 270, 1789.
본 발명의 목적은 정공이동도가 높아 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있으며, 특히 안정한 HOMO 에너지 준위를 가지고 있어 높은 개방 전압을 가짐으로써 광전 변환 효율 특성이 우수한 유기 반도체 물질과 이를 포함하는 유기 태양전지를 제공하는 데 있다. 또한, 제조공정이 간단하여 대량생산이 가능한 전자주개 물질을 제공하는 데 있다.
본 발명은 하기 화학식 1의 방향족융합고리 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에 있어서,
R1 내지 R10은 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트로기; 니트릴기; 이미드기(-(C=O)N(C=O)X1이고, X1는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 아미드기(-CONX2X3이고, X2 및 X3는 서로 같거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 하이드록시기; 에스테르기(-COOX4이고, X4은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 카르보닐기(-COX5이고, X5은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 탄소수 1 내지 25의 알킬기; 탄소수 1 내지 25의 알콕시기; 탄소수 2 내지 25의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 티오펜기; 치환 또는 비치환된 셀레노펜기; 치환 또는 비치환된 피롤기; 치환 또는 비치환된 티아졸기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 탄소수 10 내지 24의 다환식 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택되고,
k, l 및 m은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이며,
n은 1 내지 100,000의 정수이고,
A는 하기에 표시되는 2가기 중에서 선택되며,
Figure pat00002
R11 내지 R21는 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트로기; 니트릴기; 이미드기(-(C=O)N(C=O)X1이고, X1는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 아미드기(-CONX2X3이고, X2 및 X3는 서로 같거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 하이드록시기; 에스테르기(-COOX4이고, X4은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 카르보닐기(-COX5이고, X5은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 탄소수 1 내지 25의 알킬기; 탄소수 1 내지 25의 알콕시기; 탄소수 2 내지 25의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 티오펜기; 치환 또는 비치환된 셀레노펜기; 치환 또는 비치환된 피롤기; 치환 또는 비치환된 티아졸기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 탄소수 10 내지 24의 다환식 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택되고,
A는 수소; 중수소; 할로겐기; 니트로기; 니트릴기; 이미드기(-(C=O)N(C=O)X1이고, X1는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 아미드기(-CONX2X3이고, X2 및 X3는 서로 같거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 하이드록시기; 에스테르기(-COOX4이고, X4은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 카르보닐기(-COX5이고, X5은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 탄소수 1 내지 25의 알킬기; 탄소수 1 내지 25의 알콕시기; 탄소수 2 내지 25의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 티오펜기; 치환 또는 비치환된 셀레노펜기; 치환 또는 비치환된 피롤기; 치환 또는 비치환된 티아졸기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 탄소수 10 내지 24의 다환식 아릴기로 이루어진 군에서 선택된 1 이상이 추가적으로 치환될 수 있으며,
X1 내지 X15는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR' 및 Se로 이루어진 군에서 선택되고,
Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P, GeR 및 로 이루어진 군에서 선택된며,
R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트로기; 니트릴기; 이미드기(-(C=O)N(C=O)X16이고, X16는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 아미드기(-CONX17X18이고, X17 및 X18는 서로 같거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 하이드록시기; 에스테르기(-COOX19이고, X19은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 카르보닐기(-COX20이고, X20은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 탄소수 1 내지 25의 알킬기; 탄소수 1 내지 25의 알콕시기; 탄소수 2 내지 25의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 티오펜기; 치환 또는 비치환된 셀레노펜기; 치환 또는 비치환된 피롤기; 치환 또는 비치환된 티아졸기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 탄소수 10 내지 24의 다환식 아릴기로 이루어진 군에서 선택된다.
또한, 본 발명은 화학식 1의 방향족융합고리 화합물을 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 화학식 1의 방향족 융합고리 화합물을 포함하는 유기 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 화합물은 유기 태양전지를 비롯한 유기 전자 소자의 유기물층의 재료로서 사용될 수 있고, 이를 이용한 유기 태양전지를 비롯한 유기 전자 소자는 효율 상승 및 안정성 상승 등에서 우수한 특성을 나타낸다. 특히, 본 발명에 따른 새로운 고분자 유도체는 열적 안정성이 우수하고, 깊은 HOMO 준위, 다양한 밴드갭, 다양한 LUMO 준위 상태 및 전자 안정성을 가져 우수한 특성을 나타내었다. 본 발명에 따른 화학식 1의 방향족융합고리 화합물은 유기 태양전지를 비롯한 유기 전자 소자에서 순수하게 사용하거나, 불순물을 섞어 사용가능하며, 용액 도포법으로 적용 가능하고 광효율을 향상시키며, 화합물의 열적 안정성에 의하여 소자의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 제조예 3에 의한 방향족융합고리 화합물의 열안정성 측정 결과(DSC, TGA)를 나타낸 것이다.
도 2는 제조예 4에 의한 방향족융합고리 화합물의 열안정성 측정 결과(DSC, TGA)를 나타낸 것이다.
도 3은 제조예 3에 의한 방향족융합고리 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
도 4는 제조예 4에 의한 방향족융합고리 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
도 5는 제조예 3에 의한 방향족융합고리 화합물의 필름상 UV흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 제조예 4에 의한 방향족융합고리 화합물의 필름상 UV흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7는 제조예 3 및 4에 의한 고분자와 PC61BM 또는 PC71BM을 이용한 BHJ 타입 유기 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 8 및 9는 실험예 1에 따른 유기 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 10은 제조예 A에 따른 방향족융합고리 화합물의 질량 스펙트로미터(Mass spectrometer)의 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 제조예 C에 따른 방향족융합고리 화합물의 질량 스펙트로미터(Mass spectrometer)의 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 제조예 3에 따른 방향족융합고리 화합물의 IR 스펙트로미터(spectrometer)의 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 제조예 4에 따른 방향족융합고리 화합물의 IR 스펙트로미터(spectrometer)의 결과를 나타낸 것이다.
이하에서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
상기 화학식 1에 있어서, 할로겐기는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 될 수 있다.
상기 화학식 1에 있어서, 아릴기는 단환식일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로, 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기, 스틸베닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1에 있어서, 이미드기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 하기와 같은 구조의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00003
상기 화학식 1에 있어서, 아미드기는 아미드기의 질소가 수소, 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 25의 아릴기로 1 또는 2 치환될 수 있다. 구체적으로, 하기 구조식의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00004
상기 화학식 1에 있에서, 에스테르기는 에스테르기의 산소가 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 25의 아릴기로 치환될 수 있다. 구체적으로, 하기 구조식의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00005
상기 화학식 1에 있어서, 알킬기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알킬기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, sec-부틸기, t-부틸기, n-펜틸기, iso-펜틸기, neo-펜틸기, n-헥실기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1에 있어서, 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메톡시기, 에톡시기, n-프로필옥시기, iso-프로필옥시기, n-부틸옥시기, 시클로펜틸옥시기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로 상기 화학식 1에 있어서, 다환식 아릴기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 10 내지 24인 것이 바람직하다. 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트릴기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1에 있어서, "치환 또는 비치환"은 할로겐기, 니트릴기, 니트로기, 히드록시기, 알킬기, 시클로알킬기, 알케닐기, 알콕시기, 아릴옥시기, 티올기, 알킬티오기, 알릴티오기, 술폭시기, 알킬술폭시기, 아릴술폭시기, 실릴기, 붕소기, 아릴아민기, 아랄킬아민기, 알킬아민기, 아릴기, 플루오레닐기, 카바졸기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로고리기 및 아세틸렌기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나, 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.
본 발명의 하나의 실시상태에 있어서, "치환 또는 비치환된 티오펜기"는 탄소수 1 내지 25의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 25의 알콕시기로 치환되거나 치환되지 않을 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, "치환 또는 비치환된 셀레노펜기"는 탄소수 1 내지 25의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 25의 알콕시기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, "치환 또는 비치환된 피롤기"는 탄소수 1 내지 25의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 25의 알콕시기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, 치환 또는 비치환된 티아졸기는 탄소수 1 내지 25의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 25의 알콕시기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, "치환 또는 비치환된 아릴아민기"는 탄소수 1 내지 25의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 25의 알콕시기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, "치환 또는 비치환된 아릴기"는 탄소수 1 내지 25의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 25의 알콕시기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 있어서, A는
Figure pat00006
일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X9는 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR' 또는 Se일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X9는 CRR'일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X9는 CRR'이고, R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서 X9는 CRR'이고, R 및 R'는 모두 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X9는 NR일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X9는 NR이고, R은 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 있어서, A는
Figure pat00007
일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X6 내지 X8은 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR' 또는 Se 일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X6 및 X8은 S, O 또는 Se일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X6 및 X8은 S일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X7은 CRR', SiRR' 또는 GeRR'일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X7은 CRR'일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X7은 CRR'이고, R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서 X7는 CRR'이고, R 및 R'는 모두 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X7은 SiRR'일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X7은 SiRR'이고, R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, X7은 SiRR'이고, R 및 R'는 모두 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 있어서, k는 0 내지 3의 정수이다.
또 하나의 예에 있어서, k는 0일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, k는 1일 수 있다. 이 경우, R1, R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, k는 1이고, R1 및 R2는 수소일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, k는 1이고, R1 또는 R2는 수소일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, k는 1이고, R1 및/또는 R2는 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
본 발명의 실시상태에 있어서, R3 및 R4는 수소일 수 있다.
본 발명의 실시상태에 있어서, l은 0 내지 3의 정수이다.
또 하나의 예에 있어서, l은 0일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, l은 1일 수 있다. 이 경우, R5 및 R6는 수소일 수 있다.
본 발명의 실시 상태에 있어서, R7 및 R8은 수소일 수 있다.
본 발명의 실시 상태에 있어서, m은 0 내지 3의 정수이다.
또 하나의 예에 있어서, m은 0일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, m은 1일 수 있다. 이 경우, R9 및 R10은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, m은 1이고, R9 및 R10은 수소일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, m은 1이고, R9 또는 R10은 수소일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, m은 1이고, R9 및/또는 R10은 치환 또는 비치환된 알킬기일 수 있다.
화학식 1의 헤테로방향족 고분자 화합물은 하기 구조식 1 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00008
화학식 1에 있어서, n은 1 내지 100,000의 정수이다. 하나의 실시상태에 있어서, 화학식 1의 n은 10 내지 10,000의 정수일 수 있다. 또 하나의 예에 있어서, 화학식 1의 n은 30 내지 100의 정수일 수 있다. n의 값이 커질수록 전기적 특성과 기계적 특성이 더 좋아지나 100이상의 정수일 경우 용해도가 낮아져 용액 도포법이 어려울 수 있다.
본 발명에 따른 화학식 1의 방향족융합고리 고분자 화합물은 수평균 분자량이 500 내지 1,000,000g/mol이고, 1 내지 100의 분자량 분포를 가질 수 있다. 하나의 에에 있어서, 상기 화학식 1의 수평균 분자량이 10,000 내지 100,000이며, 1 내지 3의 분자량 분포를 가진다. 분자량 분포는 낮을수록, 수평균 분자량이 커질수록 전기적 특성과 기계적 특성이 더 좋아지나 100,000이상일 경우 용해도가 낮아져 용액 도포법이 어려울 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 화학식 1의 방향족융합고리 고분자 화합물의 말단기로는 헤테로 고리기일 수 있다.
본 발명에 있어서, 헤테로 고리기는 이종 원자로 O, N, S 또는 P를 포함하는 헤테로 고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트라이졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤즈 티아졸기, 벤즈 카바졸기, 벤즈 티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤즈퓨라닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 화학식 1의 방향족 융합고리 고분자 화합물의 말단기로는 아릴기일 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, 아릴기는 단환식 또는 다환식일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 6 내지 60인 것이 바람직하다. 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 비페닐기, 터페닐기, 스틸벤기 등의 단환식 방향족 및 나프틸기, 비나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세나프타세닐기, 트리페닐렌기, 플루오란트렌기등의 다환식 방향족 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 화학식 1의 방향족 융합고리 고분자 화합물의 말단기로는 아릴기, 트라이플로로메틴기일 수 있으며, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 화학식 1의 헤테로방향족 고분자 화합물은 다단계 화학반응으로 제조할 수 있다. 알킬화 반응, 그리냐르(Grignard) 반응, 스즈끼(Suzuki) 커플링 반응 및 스틸(Stille) 커플링 반응 등을 통하여 모노머들을 제조한 후, 스틸 커플링 반응 등의 탄소-탄소 커플링 반응을 통하여 최종 고분자들을 제조할 수 있다. 도입하고자 하는 치환기가 보론산(boronic acid) 또는 보론산 에스터(boronic ester) 화합물인 경우에는 스즈키 커플링 반응을 통해 제조할 수 있고, 도입하고자 하는 치환기가 트리부틸틴(tributyltin) 화합물인 경우에는 스틸 커플링 반응을 통해 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 헤테로방향족 고분자 화합물을 광활성층으로 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지는 애노드 전극, 광활성층 및 캐소드 전극을 포함한다. 상기 유기 태양전지는 기판, 정공수송층 및/또는 전자수송층이 더 포함될 수 있다.
상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기 태양전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다.
상기 애노드 전극은 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 산화인듐주석(ITO), 산화주석(SnO2) 및 산화아연(ZnO)가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 캐소드 전극은 일함수가 작은 금속이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 리튬, 마그네슘, 알루미늄과 같은 금속 또는 이들의 합금, Al:Li, Al:BaF2, Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다. 상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)), N, N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민(TPD)가 될 수 있다. 상기 전자수송층 물질은 알루미늄트리하이드록시퀴놀리(Alq3), 1,3,4-옥사다이아졸 유도체인 PBD(2-(4-bipheyl)-5-phenyl-1,3,4-oxadiazole), 퀴녹살린 유도체인 TPQ(1,3,4-tris[(3-phenyl-6-trifluoromethyl)qunoxaline-2-yl]benzene) 및 트리아졸 유도체 등이 될 수 있다.
상기 광활성층은 전자주개 물질 및 전자받개 물질을 포함할 수 있다. 상기 전자주개 물질로 본 발명의 화학식 1의 헤테로방향족 고분자 화합물이 될 수 있다. 상기 전자받개 물질은 플러렌, 플러렌 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합이 될 수 있으며, 구체적으로 PC61BM(phenyl C61-butyric acid methyl ester) 또는 PC71BM(phenyl C71-butyric acid methyl ester)가 될 수 있다.
상기 광활성층은 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 BHJ을 형성할 수 있다. 전자주개 물질 및 전자받개 물질은 1:10 내지 10:1의 비율(w/w)로 혼합될 수 있고, 혼합된 후에 특성을 최대화시키기 위하여 30 내지 300℃에서 1초 내지 24시간 어닐링할 수 있다.
상기 광활성층의 두께는 10 내지 10,000Å가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 태양전지는 애노드 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 캐소드 전극 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드 전극, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 전극 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
유기 태양 전지에 사용되는 고분자는 50~100℃에 이르는 작동온도에 견딜 수 있는 열적 안정성을 가져야 하며, 따라서, 고분자의 유리전이 온도와 분해 온도는 높을수록 유리하다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 방향족 융합고리 화합물은 100℃가 넘는 유리 전이 온도를 보여 줄 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시상태에 따른 방향족 융합고리 화합물의 분해 온도는 약 400℃에 가까울 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시상태에 따른 방향족융합고리 화합물을 유기 태양 전지에 적용하는 경우, 충분한 열적 안정성을 확보할 수 있다.
유기 태양 전지에서, 개방전압을 결정하는 중요한 요소 중 한 가지는 전자주개용 고분자의 HOMO 에너지 준위와 전자 받개용 물질의 LUMO 에너지 준위 차이 값이다. 즉, 전자 주개용 고분자의 HOMO 에너지 준위가 깊숙히 위치할수록 소자에서는 개방전압이 커지게 되며, 또한 고분자 자체는 산화 안정성을 가질 수 있게 된다. 따라서, 바람직한 고분자의 산화전위는 0.4V (vs Ag/AgCl) 이상이다. 하지만 고분자의 산화전위가 너무 커 HOMO 에너지 준위가 너무 깊숙히 위치할 경우 소자 작동시 생성되는 정공이 양극으로 추출되지 못할 수도 있으므로 더욱 바람직하게는 산화 전위가 적당한 0.5~0.8V 사이의 값을 가지는 경우이다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 방향족 융합고리 화합물은 0.7 내지 0.8V의 산화 전위 값을 가질 수 있어 유기 태양 전지로서 높은 효율을 가질 수 있다.
유기 태양 전지에서 빛을 흡수하여 에너지를 만드는 광활성 물질의 역할은 주로 전자주개용 물질이 수행한다. 따라서, 전자 주개는 가능한 태양광을 많이 흡수할 수 있도록 넓은 스펙트럼 영역에서 빛을 흡수할 수 잇는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 방향족 융합고리 화합물은 300~800nm까지 파장을 흡수 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시상태에 따른 방향족 융합고리 화합물은 태양광의 자외선, 가시광선, 근적외선 부분에 해당하는 넓은 영역의 태양광을 흡수할 수 있어, 유기 태양 전지의 전자 주개 물질로서 바람직하다고 할 수 있다.
태양광 조사 조건하에서 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도 곡선은 유기 태양전지가 얼마나 효율적으로 에너지를 생산하고 있는지를 나타낸다. 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편은 각각 개방전압과 단락 전류를 나타내며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 이 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값을 Fill Factor 라 부르며, 이 또한 수치가 높을수록 효율이 바람직하다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 방향족 융합고리 화합물은 유기 태양 전지에 적용할 수 있다.
본 발명의 유기 태양전지는 광활성층이 본 발명의 화합물, 즉 상기 화학식 1로 표시되는 헤테로융합고리 화합물을 포함하는 것을 제외하고는 당 기술분야에 알려져 있는 재료와 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 태양전지의 제조 방법은 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 배면의 일 영역에 애노드 전극을 형성하는 단계, 상기 애노드 전극 위에 광활성층을 형성하는 단계 및 상기 광활성층 위에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 유기 태양전지는 예컨대 기판 상에 애노드 전극, 광활성층 및 캐소드 전극을 순차적으로 적층시킴으로써 제조할 수 있다. 이 때 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄, 스크린 프린팅, 잉크젯, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등의 습식법으로 코팅될 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1의 헤테로방향족 고분자 화합물의 제조 방법 및 이들을 이용한 유기 태양전지의 제조는 이하의 제조예 및 실시예에서 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 제조예 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 모노머 합성 1
제조예 A. 2,5-디-(2,1,3-벤조싸이아다이아졸-4-일)-싸이오펜(2,5-di-(4-bromo-2,1,3-benzothiadiazole-4-yl)-thiophene의 제조
Figure pat00009
15ml의 톨루엔에 2,5-비스(테트라부틸스테닐)티오펜 (2,5-bis-(tetrabutylstannyl) thiophene), 0.9g, 1.36mmol)과 4,7-디브로모(2,1,3-벤조싸이아다이아졸(4,7-dibromo-2,1,3-benzothiadiazole,1.20g, 4.07mmol)을 넣고 녹인 후, 마이크로 웨이브 리엑터를 이용하여 150℃에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응 후 혼합물을 거르고, 걸러진 용액을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피(전개용매 헥산: 메틸렌클로라이드 = 1:1)로 정제하여 빨간색 고체를 얻었다.
수율: 22％
MS: [M+H]+=510
도 10은 제조예 A에 따른 방향족융합고리 화합물의 질량 스펙트로미터(Mass spectrometer)의 결과를 나타낸 것이다.
제조예 2. 모노머의 합성 2
제조예 B. 7,7'-비스 (3-헥실-2-싸이에닐)-4,4'비스-(2,1,3-벤조싸이아다이아졸)(7,7'-bis(3-hexyl-2-thienyl)-4,4'-bis(2,1,3-benzothiazole)의 제조
Figure pat00010
본 발명에서 7,7'-디브로모-4,4'-비스(2,1,3-벤조싸이다이아졸)(7,7'-dibromo-4,4'-bis(2,1,3-benzothiadiazole)은 이전의 문헌을 참고하여 제조하였다(P. Anant, N. T.Lucas, J.Jacob, Org. Lett. 10, 5533-5536).
다이옥산(Dioxane) 100ml에 7,7'-디브로모-4,4'-비스(2,1,3-벤조싸이다이아졸)(7,7'-dibromo-4,4'-bis(2,1,3-benzothiadiazole, 2.5g, 5.83mmol), 3-헥실싸이오펜-2-보로닉 엑시드 피나콜 에스터(3-hexylthiophene-2-boronic acid pinacol ester, 6.88g, 23.4mmol), 2M K2CO3 수용액 29ml, Pd(PPh3)4(tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0), 670mg, 0.58mmol)을 넣고 녹인 후 환류 하에 교반하였다. 24시간 후 혼합물을 실온까지 냉각하여 클로로폼으로 추출한 후 물로 씻은 후 MgSO4로 용액 속에 잔류하는 수분을 제거하였다. 이 용액을 실리카겔로 걸러 촉매를 제거하고, 용매를 제거한 후 에탄올로 씻어준 후 고체를 분리하였다.
수율: 39％
MS: [M+H]+ = 603
제조예 C. 7,7'-비스(3-헥실-2-싸이에닐)-4,4'-비스(2,1,3-벤조싸이아다이아졸)(7,7'-bis(3-hexyl-2-thienyl)-4,4'-bis(2,1,3-benzothiazole)의 제조
Figure pat00011
DMF 50ml에 7,7'-비스(3-헥실-2-싸이에닐)-4,4'-비스(2,1,3-벤조싸이아다이아졸(7,7'-bis(3-hexyl-2-thienyl)-4,4'-bis (2,1,3-benzothiazole), 1g, 1.31mmol)을 넣고 녹인 뒤 N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide, 0.701g, 3.94mmol)을 넣고, 24시간 동안 교반하였다. 물을 넣어 생긴 고체를 걸러 상기 고체를 아세톤으로 씻어주었다.
MS: [M+H]+ = 761
도 11은 제조예 C에 따른 방향족융합고리 화합물의 질량 스펙트로미터(Mass spectrometer)의 결과를 나타낸 것이다.
제조예 3. 폴리(9,9-디옥틸플루오렌-알트-2,5-디-(2,1,3-벤조싸이아다이아졸-4-일)-싸이오펜)(poly(9,9-dioctylfluorene-alt-2,5-di-(2,1,3-benzothiadiazole-4-yl-thiophene)의 제조
Figure pat00012
2,7-비스(4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란-2-일)-9,9-디옥틸플루오렌(2,7-Bis(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)-9,9-dioctylfluorene)은 이전의 문헌을 참고하여 제조하였다. (Q. Hou, Y. Xu, W. Yang, M. Yuan, J. Peng, Y. Cao, J. Mater. Chem. 12, 2002, 2887-2892)
톨루엔(toluene) 10ml에 2,7-비스(4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란-2-일)-9,9-디옥틸플루오렌 (200mg, 0.311mmol), 2,5-디-(4-브로모-2,1,3-디옥사보롤란-2-일)-9,9-디옥틸플루오렌(2,5-di-(4-bromo-2,1,3-benzothiadiazol-4-yl)-thiophene, 159mg, 0.311mmol), 2M 포타슘 카보네이트 수용액 5ml, Pd(PPh3)4(tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0), 5mg)을 넣고 녹인 후 환류 하에 교반하였다. 72시간 후 혼합물을 실온까지 냉각하여 메탄올에 부은 후 고체를 걸러 아세톤, 헥산, 클로로폼에 석슐렛 추출(Soxhlet extraction)한 다음 다시 메탄올에 침전시켜 고체를 걸러내었다.
수율: 48％
수 평균 분자량: 24,400g/mol
무게 평균 분자량: 32,600g/mol
도 12는 제조예 3에 따른 방향족융합고리 화합물의 IR 스펙트로미터(spectrometer)의 결과를 나타낸 것이다.
제조예 4. 폴리(N-9-헵타데카닐카바졸-알트-7,7'-비스(3-헥실-2-싸이에닐)-4,4'-비스(2,1,3-벤조싸이아디아졸)(poly(N-9-heptadecanylcarbazole-alt-7,7 -bis(3-hexyl-2-thienyl)-4,4'-bis(2,1,3-benzothiadiazole))의 제조
Figure pat00013
본 발명에서 2,7-비스(4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란-2-일)-N,9-헵타데카닐카바졸(2,7-Bis(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)-N,9-heptadecanylcarbazole)은 이전의 문헌을 참고하여 제조하였다. (N.Blouin, A. Michaud, M. Leclerc, Adv. Mater. 19, 2007, 2295-2300)
톨루엔 10ml에 2,7-비스(4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란-2-일)-N,9-헵타데카닐카바졸(200mg, 0.304mmol), 4-브로모-7-(5-브로모싸이오펜-일-2,1,3-벤조싸이아다이아졸(114mg, 0.304mmol), 2M 포타슘 카보네이트 수용액 5ml, Pd(PPh3)4 5mg을 넣고 녹인 후 환류 하에 교반하였다. 72시간 후 혼합물을 실온까지 냉각하여 메탄올을 부은 후 코체를 걸러 아세톤, 헥산, 클로로폼에 석슐렛 추출을 한 후 다시 메탄올에 침전시켜 고체를 걸러내었다.
수율: 51％
수 평균 분자량: 31,800g/mol
무게 평균 분자량: 44,600g/mol
도 1은 제조예 3에 의한 방향족융합고리 화합물의 열안정성 측정 결과(DSC, TGA)를 나타낸 것이다.
도 2는 제조예 4에 의한 방향족융합고리 화합물의 열안정성 측정 결과(DSC, TGA)를 나타낸 것이다.
DSC의 측정은 두 고분자를 각각 2mg씩 샘플링하여 10℃/min의 속도로 200℃까지 온도를 높였다가 빠른 속도로 질소로 온도를 낮추는 과정을 두 번 반복한 후 2번째 온도 상승과정을 분석하여 유리전이 온도를 구하였다.
TGA 측정은 각 고분자를 10mg씩 샘플링하여 10℃/min의 속도로 700℃까지 온도를 올린 후 전체 무게에서 5％의 무게 감소가 이루어지는 온도를 분해온도로 설정하였다.
제조예 3 및 4에서 제조된 고분자는 100℃가 넘는 유리 전이 온도를 보여주며, 분해 온도는 약 400℃에 가까워 유기 태양 전지에 적용될 시, 충분한 열적 안정성을 확보할 수 있다.
도 3은 제조예 3에 의한 방향족융합고리 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
도 4는 제조예 4에 의한 방향족융합고리 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
사이클릭 볼타메트리(Cyclic voltammetry)의 측정은 테트라플루오로보레이트 (Bu4NBF4)를 아세토나이트릴에 0.1M로 녹인 전해질 용액에 글래시 카본 워킹(glassy carbon working)전극과 Ag/AgCl 참조(reference)전극, 그리고 Pt 전극을 담아 삼전극법으로 분석하였다. 각각의 고분자들은 작업(working) 전극에 드롭-캐스팅(drop casting) 방법으로 코팅되었다.
제조예 3 및 4에서 합성된 두 고분자는 0.7~0.8V (vs ag/AgCl)의 산화전위를 보여준다. 사이클릭 볼타메트리(Cyclic volatametry)로 측정된 산화 준위는 일정한 계산식 (HOMO(eV)=-(4.4+oxidation potential(V))) (vs Ag/AgCl)에 의해 HOMO에너지 준위로 변환할 수 있으며, 두 고분자의 상기 전위값에 해당하는 HOMO 에너지 준위로 변환할 수 있으며, 두 고분자의 상기 전위값에 해당하는 HOMO 에너지 준위는 -5.5~5.6eV이다.
도 5는 제조예 3에 의한 방향족융합고리 화합물의 필름상 UV흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 제조예 4에 의한 방향족융합고리 화합물의 필름상 UV흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
필름상 UV 흡광 스펙트럼은 각각의 고분자를 클로로벤젠에 1wt%의 농도로 녹여 이 용액을 유리기판 위에 떨어뜨린 후 1000rpm에서 60초 동안 스핀 코팅한 샘플을 UV 스펙트로미터 (spectrometer)를 이용하여 분석하였다.
제조예 3 및 4에서 합성된 두 고분자는 300~800nm까지 파장을 흡수하므로, 태양광의 자외선, 가시광선, 근적외선 부분에 해당하는 넓은 영역의 태양광을 흡수할 수 있어, 유기 태양 전지의 전자 주개 물질로서 바람직하다고 할 수 있다.
도 13은 제조예 4에 따른 방향족융합고리 화합물의 IR 스펙트로미터(spectrometer)의 결과를 나타낸 것이다.
<유기 태양 전지>
상기 제조예 3 및 4에서 제조한 고분자와 PCBM을 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene, DCB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 1.0 ~ 2.0wt％로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45cm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 고분자-PCBM 복합용액을 0.45μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여 120℃에서 5분간 열처리하고, 3x10-8torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 Lif를 7Å 증착한 후 200nm 두께로 Al을 증착하였다. 상기와 같이 제조된 유기 태양전지의 광전변환특성을 100mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 1에 그 결과를 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00014
표 1에서 총 두께는 유기 태양 전지 내에서 활성층의 두께를 의미하며, Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 fill Factor를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한, Fill Factor는 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
도 7는 제조예 3 및 4에 의한 고분자와 PC61BM 또는 PC71BM을 이용한 BHJ 타입 유기 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 8 및 9는 실시예 1에 따른 유기 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.

Claims (9)

  1. 하기 화학식 1의 방향족융합고리 화합물:
    [화학식 1]
    Figure pat00015

    화학식 1에 있어서,
    R1 내지 R10은 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트로기; 니트릴기; 이미드기(-(C=O)N(C=O)X1이고, X1는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 아미드기(-CONX2X3이고, X2 및 X3는 서로 같거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 하이드록시기; 에스테르기(-COOX4이고, X4은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 카르보닐기(-COX5이고, X5은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 탄소수 1 내지 25의 알킬기; 탄소수 1 내지 25의 알콕시기; 탄소수 2 내지 25의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 티오펜기; 치환 또는 비치환된 셀레노펜기; 치환 또는 비치환된 피롤기; 치환 또는 비치환된 티아졸기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 탄소수 10 내지 24의 다환식 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    k, l 및 m은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이며,
    n은 1 내지 100,000의 정수이고,
    A는 하기에 표시되는 2가기 중에서 선택되며,
    Figure pat00016

    R11 내지 R21는 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트로기; 니트릴기; 이미드기(-(C=O)N(C=O)X1이고, X1는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 아미드기(-CONX2X3이고, X2 및 X3는 서로 같거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 하이드록시기; 에스테르기(-COOX4이고, X4은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 카르보닐기(-COX5이고, X5은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 탄소수 1 내지 25의 알킬기; 탄소수 1 내지 25의 알콕시기; 탄소수 2 내지 25의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 티오펜기; 치환 또는 비치환된 셀레노펜기; 치환 또는 비치환된 피롤기; 치환 또는 비치환된 티아졸기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 탄소수 10 내지 24의 다환식 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    A는 수소; 중수소; 할로겐기; 니트로기; 니트릴기; 이미드기(-(C=O)N(C=O)X1이고, X1는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 아미드기(-CONX2X3이고, X2 및 X3는 서로 같거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 하이드록시기; 에스테르기(-COOX4이고, X4은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 카르보닐기(-COX5이고, X5은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 탄소수 1 내지 25의 알킬기; 탄소수 1 내지 25의 알콕시기; 탄소수 2 내지 25의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 티오펜기; 치환 또는 비치환된 셀레노펜기; 치환 또는 비치환된 피롤기; 치환 또는 비치환된 티아졸기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 탄소수 10 내지 24의 다환식 아릴기로 이루어진 군에서 선택된 1 이상이 추가적으로 치환될 수 있으며,
    X1 내지 X15는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR' 및 Se로 이루어진 군에서 선택되고,
    Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P, GeR 및 로 이루어진 군에서 선택된며,
    R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트로기; 니트릴기; 이미드기(-(C=O)N(C=O)X16이고, X16는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 아미드기(-CONX17X18이고, X17 및 X18는 서로 같거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 하이드록시기; 에스테르기(-COOX19이고, X19은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 카르보닐기(-COX20이고, X20은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 25의 아릴기); 탄소수 1 내지 25의 알킬기; 탄소수 1 내지 25의 알콕시기; 탄소수 2 내지 25의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 티오펜기; 치환 또는 비치환된 셀레노펜기; 치환 또는 비치환된 피롤기; 치환 또는 비치환된 티아졸기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 탄소수 10 내지 24의 다환식 아릴기로 이루어진 군에서 선택된다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 n은 10 내지 10,000의 정수인 방향족융합고리 화합물.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 방향족 융합고리 화합물은 수평균 분자량이 500 내지 1,000,000g/mol인 화합물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 방향족 융합고리 화합물은 1 내지 100의 분자량 분포를 갖는 화합물.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 방향족융합고리 화합물은 하기 구조식 1 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 것인 방향족융합고리 화합물:
    Figure pat00017

    .
  6. 애노드 전극, 캐소드 전극 및 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 배치된 1층 이상의 광활성층을 포함하는 유기 태양전지로서, 상기 광활성층 중 1층 이상은 청구항 1 내지 5 중 어느 하나의 항의 헤테로 융합고리 화합물을 포함하는 유기 태양전지.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 광활성층은 전자주개 물질 및 전자받개 물질을 포함하고, 상기 전자주개 물질은 상기 헤테로 융합고리 화합물인 유기 태양전지.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 전자받개는 플러렌, 플러렌 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 태양전지.
  9. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 배면의 일 영역에 애노드 전극을 형성하는 단계;
    상기 애노드 전극 위에 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항의 헤테로융합고리 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 위에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조 방법.
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