KR20170112882A - organic solar cells and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 전자-주개와 전자-받개를 동시에 포함하고 있는 공액 저분자 화합물(제1 유기 반도체 재료)에 제2 유기 반도체 재료를 적정량 혼합함으로써, 광활성층의 모폴로지를 개선하여 높은 효율의 유기태양전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to improve the morphology of the photoactive layer by mixing an appropriate amount of the second organic semiconductor material in the conjugated low-molecular compound (first organic semiconductor material) which simultaneously includes the electron-exciton and the electron- Battery can be provided.
Description
본 발명은 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광활성층의 전자 주개와 전자 받개의 모폴로지를 개선한 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organic solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an organic solar cell improved in morphology of an electron guide and an electron acceptor in a photoactive layer and a manufacturing method thereof.
현재 주 에너지원으로 사용하고 있는 화석연료는 연소에 의해 유발되는 환경오염과 매장량의 한계와 같은 다양한 문제들을 맞닥뜨렸다. 이에 무한정 사용할 수 있으면서도 친환경적인 대체에너지에 대한 관심이 높아지면서, 수소에너지, 수력, 풍력 등 다양한 신 재생에너지 자원들에 대한 연구가 이루어지게 되었고, 이 중에서 태양광을 이용한 태양전지 역시 많은 연구개발이 이루어져왔다.The fossil fuels currently used as primary energy sources encountered various problems such as environmental pollution caused by combustion and limitations of the reserves. As a result, research on various renewable energy sources such as hydrogen energy, hydropower, and wind power has been carried out, and many research and development on solar cells using solar energy have been conducted. .
태양전지는 실리콘과 같은 무기물을 이용한 태양전지와 유기물을 사용한 태양전지로 크게 나눌 수 있다. 유기물을 이용한 박막 태양전지는 실리콘을 사용하는 무기 태양전지에 비해 소자 제작공정에 있어서 유기물 자체의 손쉬운 가공성으로 인해 스핀 코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯, 미세접촉 프린팅 법 등 저가의 박막 및 대면적 소자제작 방법을 응용할 수 있고, 롤투롤 공정에 의한 유연성 소자의 제작이 가능하여 값싼 공정 단가를 실현할 수 있는 장점이 있다.Solar cells can be roughly classified into solar cells using inorganic materials such as silicon and solar cells using organic materials. Thin film solar cells using organic materials are superior to inorganic solar cells using silicon because of their easy processability in the manufacturing process of organic materials. Therefore, it is possible to manufacture low-cost thin films and large-area devices such as spin coating, screen printing, ink jet, And it is possible to manufacture a flexible element by a roll-to-roll process, which is advantageous in realizing an inexpensive process unit price.
초기에는 고분자를 이용한 유기 태양전지가 많은 관심을 가지고 연구되었으나 중합을 반복할 때마다 분자량(Mn, Mw)과 분자량 분포지수(PDI)가 달라져 완성된 소자의 재현성이 떨어지는 단점을 가지고 있다.Initially, organic solar cells using polymer have been studied with much interest. However, the molecular weight (Mn, Mw) and the molecular weight distribution index (PDI) are different each time the polymerization is repeated and the reproducibility of the completed device is deteriorated.
이와 같은 문제점을 보완하기 위해서, 재현성이 우수한 저분자 화합물을 이용한 유기태양전지가 대안으로 각광받고 있다. 그러나 이러한 유기태양전지의 상용화를 위해서는 고효율화가 반드시 선행되어야 할 첫 번째 과제이다.In order to overcome such a problem, an organic solar cell using a low-molecular compound having excellent reproducibility has attracted attention as an alternative. However, in order to commercialize such an organic solar cell, high efficiency is a first task to be preceded.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광활성층의 모폴로지를 개선함으로써, 보다 높은 효율을 가지는 유기태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an organic solar cell having a higher efficiency by improving the morphology of a photoactive layer and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 이루기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
기판 상에 형성된 하부 전극;A lower electrode formed on a substrate;
상기 하부 전극 상에 형성된, (a) p-타입 유기 반도체 재료, (b) n-타입 유기 반도체 재료 및 (c) 용매를 포함하는 광활성층; 및A photoactive layer formed on the lower electrode, the photoactive layer including (a) a p-type organic semiconductor material, (b) an n-type organic semiconductor material, and (c) a solvent; And
상기 광활성층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하고,And an upper electrode formed on the photoactive layer,
상기 p-타입 유기 반도체 재료는 (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지를 제공한다.The p-type organic semiconductor material includes (a-1) a first organic semiconductor material represented by the following formula (1) and (a-2) a second organic semiconductor material represented by the following formula Thereby providing an organic solar cell.
상기 화학식에서,In the above formulas,
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고,X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents hydrogen or halogen,
상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이며,R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 And R < 6 > are the same or different and each independently represents a linear or branched alkyl group having 1 to 22 carbon atoms,
n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.and n is an integer of 1 to 10,000,000.
상기 화학식 1에서, 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 직쇄의 알킬기이며, 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 분지쇄의 알킬기이며, 상기 화학식 2에서 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 직쇄의 알킬기인 것을 특징으로 한다.Wherein R 1 and R 2 are the same or different and each independently is a straight-chain alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, and R 3 and R 4 are the same or different, Wherein R 3 and R 4 are the same or different and each independently is a straight chain alkyl group having from 8 to 22 carbon atoms.
상기 화학식 1에서, 상기 R1 및 R2가 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 갖는 경우,상기 R3 및 R4도 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 가지며, 상기 화학식 2에서, 상기 R5 및 R6도 서로 대칭이면서 서로 동일한 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In the
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료는 1000 내지 2000 g/㏖의 분자량을 갖는 저분자 화합물이고, 상기 (a-2) 제2 유기 반도체 재료는 50,000 내지 100,000 g/㏖의 분자량을 갖는 고분자 화합물일 수 있다.Wherein the first organic semiconductor material (a-1) is a low molecular weight compound having a molecular weight of 1000 to 2000 g / mol and the second organic semiconductor material (a-2) is a high molecular weight compound having a molecular weight of 50,000 to 100,000 g / Lt; / RTI >
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료는 하기 화학식 3 내지 7로 표시되는 저분자 화합물 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.The first organic semiconductor material (a-1) may be any one selected from low-molecular compounds represented by the following formulas (3) to (7).
상기 (a-2) 제2 유기 반도체 재료는 하기 화학식 8로 표시되는 고분자 화합물일 수 있다.The second organic semiconductor material (a-2) may be a polymer compound represented by the following formula (8).
상기 화학식에서In the above formula
n은 1 내지 10,000,000의 정수이며, 더욱 구체적으로 분자량은 50000-100000 g/mol이면 바람직하다.n is an integer of 1 to 10,000,000, and more specifically, a molecular weight of 50,000 to 100,000 g / mol is preferable.
상기 (b) n-타입 유기 반도체 재료는 메틸(6,6)-페닐-C61-부티레이트(PC60BM), (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(C60-PCBM), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르(C70-PCBM), (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르(C76-PCBM), (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르(C78-PCBM), (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸에스테르(C80-PCBM), (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸에스테르(C82-PCBM), (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸에스테르(C84-PCBM), 비스(1-[3-(메톡시카르보닐)프로필]-1-페닐)(Bis-C60-PCBM), 3'-페닐-3'H-시클로프로파(8,25)(5,6)플러렌-C70-비스-D5h(6)-3'-부티르산 메틸 에스테르(Bis-C70-PCBM), 인덴-C60-비스어덕트(ICBA), 모노인덴닐C60(ICMA) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.The (b) n- type organic semiconductor material is Methyl (6,6) -phenyl -C61- butyrate (PC 60 BM), (6,6) -phenyl -C61- butynyl rigs Acid methyl ester (C 60 -PCBM) , (6,6) -phenyl -C71- butynyl rigs Acid methyl ester (C 70 -PCBM), (6,6) -phenyl -C77- butynyl rigs Acid methyl ester (C 76 -PCBM), (6,6) -Phenyl-C79-butyric acid methyl ester (C 78 -PCBM), (6,6) -phenyl-C 81 -butylic acid methyl ester (C 80 -PCBM) Rick acid methyl ester (C 82 -PCBM), (6,6 ) - phenyl butyric -C85- rigs acid methyl ester (C 84 -PCBM), bis (1- [3- (methoxycarbonyl) propyl] -1 phenyl) (bis-C 60 -PCBM) , 3'- phenyl -3'H- cycloalkyl profile (8,25) (5,6) fullerene -C70- bis -D5h (6) -3'- acid methyl (Bis-C 70 -PCBM), indene-C60-bis-adduct (ICBA), monoindenyl C60 (ICMA), and combinations thereof.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비는 1:0.01-0.04일 수 있다.The mixing weight ratio of the (a-1) first organic semiconductor material and (a-2) the second organic semiconductor material may be 1: 0.01-0.04.
상기 (c) 용매는 클로로벤젠 및 1,8-다이아이오도옥테인으로 이루어진 혼합용매일 수 있다.The solvent (c) may be a mixed solvent consisting of chlorobenzene and 1,8-diiodoctane.
상기 (c) 용매에서, 상기 클로로벤젠과 1,8-다이아이오도옥테인의 혼합 부피비는 1 : 0.002-5일 수 있다.In the solvent (c), the mixing volume ratio of the chlorobenzene and 1,8-diiodoctane may be 1: 0.002-5.
상기 다른 목적을 이루기 위하여, 본 발명은 아래 단계들을 포함하는 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an organic solar cell including the steps of:
Ⅰ) 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계,I) forming a lower electrode on a substrate,
Ⅱ) (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; (b) n-타입 유기 반도체 재료; 및 (c) 용매;를 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계,(A-1) a first organic semiconductor material represented by the following formula (1) and (a-2) a second organic semiconductor material represented by the following formula (2) (b) an n-type organic semiconductor material; And (c) a solvent to prepare a first solution,
Ⅲ) 상기 제1 용액을 상기 하부 전극 상에 코팅하여 광활성층을 형성하는 단계 및III) coating the first solution on the lower electrode to form a photoactive layer and
Ⅳ) 상기 광활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계.IV) forming an upper electrode on the photoactive layer.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[화학식 2](2)
상기 화학식에서 In the above formula
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고,X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents hydrogen or halogen,
상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이며,R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 And R < 6 > are the same or different and each independently represents a linear or branched alkyl group having 1 to 22 carbon atoms,
n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.and n is an integer of 1 to 10,000,000.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비는 1:0.01-0.04일 수 있다.The mixing weight ratio of the (a-1) first organic semiconductor material and (a-2) the second organic semiconductor material may be 1: 0.01-0.04.
상기 (c) 용매는 클로로벤젠 및 1,8-다이아이오도옥테인으로 이루어진 혼합용매일 수 있다.The solvent (c) may be a mixed solvent consisting of chlorobenzene and 1,8-diiodoctane.
상기 클로로벤젠과 1,8-다이아이오도옥테인의 혼합 부피비는 1 : 0.002-5일 수 있다.The mixing volume ratio of chlorobenzene and 1,8-diiodoctane may be 1: 0.002-5.
상기 Ⅲ) 단계는 스핀코팅 방법으로 수행될 수 있다.Step (III) may be performed by a spin coating method.
본 발명에 따르면, 전자-주개와 전자-받개를 동시에 포함하고 있는 공액 저분자 화합물(제1 유기 반도체 재료)에 제2 유기 반도체 재료를 적정량 혼합함으로써, 광활성층의 모폴로지를 개선하여 높은 효율의 유기태양전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to improve the morphology of the photoactive layer by mixing an appropriate amount of the second organic semiconductor material in the conjugated low-molecular compound (first organic semiconductor material) which simultaneously includes the electron-exciton and the electron- Battery can be provided.
또한, 상기 전자-주개와 전자-받개를 동시에 포함하는 제1 유기 반도체 재료에 제2 유기 반도체 재료가 첨가되었을 경우, 상기 제1 유기 반도체 재료의 문제점이었던 응집현상을 방지하는 역할을 수행하기 때문에, 결과적으로 광활성층의 모폴로지를 개선하여 상기 제1 유기 반도체 재료의 네트워크 구조 특성을 향상하는 효과를 달성할 수 있다.In addition, when the second organic semiconductor material is added to the first organic semiconductor material including the electron-emitter and the electron-emitter at the same time, since it plays a role of preventing the aggregation phenomenon which was a problem of the first organic semiconductor material, As a result, the effect of improving the network structure characteristics of the first organic semiconductor material by improving the morphology of the photoactive layer can be achieved.
또한 본 발명에 따른 유기태양전지는 상온공정만으로도 우수한 효율을 나타낼 수 있도록 제조가 가능하기 때문에, 소자 제작공정 중 고온의 열처리 과정이 요구되지 않으므로, 제작 공정의 단순화, 비용 절감과 더불어 열에 약한 재료에 대한 선택의 폭이 넓어지는 등의 장점을 갖는다.In addition, since the organic solar cell according to the present invention can be manufactured so as to exhibit excellent efficiency even at a room temperature process, a high-temperature heat treatment process is not required during the device fabrication process, so that the fabrication process is simplified and costs are reduced, And has a merit of broadening the selection range.
도 1은 본 발명에 따른 유기태양전지(100)를 도시화한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유기태양전지(100)의 제조과정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 3은 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 실시예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 실시예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지의 외부양자효율(external quantum efficiencies, EQE)(%)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 비교예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 도시한 그래프이다.
도 6은 비교예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지의 외부양자효율(external quantum efficiencies, EQE)(%)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 실시예 6 내지 8 및 비교예 3으로부터 제조된 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 도시한 그래프이다.
도 8은 실시예 3(a) 및 비교예 3(b)에 따라 제조된 광활성층의 TEM(Transmission Electron Microscope)이다.
도 9는 실시예 3(a) 및 비교예 3(b)에 따라 제조된 광활성층의 EF-TEM(energy-filtering transmission electron microscopy)이다.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 광활성층의 표면 모폴로지를 AFM을 통해 관찰한 이미지이다(Rq=0.75 ㎚).
도 11은 본 발명의 비교예 3에 따라 제조된 광활성층을 AFM을 통해 관찰한 이미지이다(Rq=1.36 ㎚).
도 12는 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 비교예 6 내지 10로부터 제조된 유기태양전지의 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 비교예 11 내지 15로부터 제조된 유기태양전지의 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 측정하여 나타낸 그래프다.
도 14는 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 비교예 16 내지 20로부터 제조된 유기태양전지의 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 15는 110 ℃의 고온 조건하에서 각 시간마다 측정된 실시예 3과 비교예 3의 유기태양전지의 광전변환효율(PCE) 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 16은 110 ℃의 고온 조건하에서 각 시간마다 측정된 실시예 3와 비교예 3의 유기태양전지의 충전률(FF, fill factor) 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 17은 110 ℃의 고온 조건하에서 각 시간마다 측정된 실시예 3과 비교예 3의 유기태양전지의 JSC 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 18은 65 , 85 % 상대 습도(RH) 조건 하에서, 각 시간마다 측정된 실시예 9의 유기태양전지의 특성(광전변환효율(PCE), 충전률(FF, fill factor), JSC, VOC)을 측정하여 나타낸 그래프이다.1 is a sectional view showing an organic
2 is a schematic view showing a process of manufacturing the organic
FIG. 3 is a graph showing JV characteristics for the organic solar cells prepared in Examples 1 to 5 when irradiated with light having an energy of 100 mW /
4 is a graph showing external quantum efficiencies (EQE) (%) of the organic solar cells prepared in Examples 1 to 5.
5 is a graph showing JV characteristics of the organic solar cells prepared in Comparative Examples 1 to 5 when irradiated with light having an energy of 100 mW / cm < 2 >.
FIG. 6 is a graph showing external quantum efficiencies (EQE) (%) of organic solar cells prepared in Comparative Examples 1 to 5.
7 is a graph showing JV characteristics of the organic solar cells prepared in Examples 6 to 8 and Comparative Example 3 when irradiated with light having an energy of 100 mW /
8 is a TEM (Transmission Electron Microscope) of the photoactive layer prepared according to Example 3 (a) and Comparative Example 3 (b).
9 is energy-filtering transmission electron microscopy (EF-TEM) of the photoactive layer prepared according to Example 3 (a) and Comparative Example 3 (b).
10 is an image (Rq = 0.75 nm) of the surface morphology of the photoactive layer produced according to Example 3 of the present invention through AFM.
11 is an image (Rq = 1.36 nm) of the photoactive layer produced according to Comparative Example 3 of the present invention through AFM.
FIG. 12 is a graph showing JV characteristics of organic solar cells manufactured from Comparative Examples 6 to 10 when irradiated with light of 100 mW /
13 is a graph showing the JV characteristics of the organic solar cell of the organic solar cell manufactured in Comparative Examples 11 to 15 when irradiated with light having an energy of 100 mW / cm < 2 >.
FIG. 14 is a graph showing JV characteristics of organic solar cells prepared in Comparative Examples 16 to 20 when irradiated with light of 100 mW /
15 is a graph showing changes in photoelectric conversion efficiency (PCE) of the organic solar cells of Example 3 and Comparative Example 3 measured at high temperature of 110 ° C for each hour.
FIG. 16 is a graph showing changes in fill factor (FF) of the organic solar cells of Example 3 and Comparative Example 3 measured at high temperature of 110 ° C. for each hour.
17 is a graph showing changes in J SC of the organic solar cells of Example 3 and Comparative Example 3 measured at high temperature of 110 ° C for each hour.
18 shows the characteristics (the photoelectric conversion efficiency (PCE), the fill factor (FF), the J SC , and the V (%) of the organic solar cell of Example 9 measured at each time under the conditions of 65, 85% relative humidity OC ).
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.
저분자 유기태양전지는 고분자 유기태양전지에 비해 재현성이 우수하다는 큰 장점을 가지고 있어, 많은 연구 개발자들의 관심을 받고 있다. 이러한 저분자 유기 태양전지에 사용되는 대표적인 광변활성층 물질로는 p-DTS(FBTTh2)2가 개발되어 있고, 이를 전자친화도가 높은 C71 풀러렌 유도체와 혼합하여 컨벤셔널 구조의 소자를 제작하면, 약 7% 가량의 우수한 효율을 달성할 수 있다. 그러나 상술한 광변활성층의 경우 저분자 화합물 간의 응집현상에 의해 모폴로지가 최적화되지 못해 이이상의 효율로는 향상되지 못하는 문제가 존재한다Low-molecular organic solar cells have a great advantage of being excellent in reproducibility as compared with polymer organic solar cells, and have attracted a lot of research developers. P-DTS (FBTTh 2 ) 2 has been developed as a representative light-emitting active layer material used in such a low molecular organic solar cell, and when a device of a conventional structure is manufactured by mixing it with a C 71 fullerene derivative having a high electron affinity, An excellent efficiency of about 7% can be achieved. However, in the case of the above-described light-active layer, the morphology is not optimized due to the coagulation phenomenon between the low-molecular compounds,
따라서, 본 발명에서는 저분자 유기태양전지의 광활성층을 구성하는 저분자 화합물인 제1 유기 반도체 재료에 제2 유기 반도체 재료를 적적량 혼합함으로써 제1 유기 반도체 재료인 저분자 화합물의 종래 문제점이였던 응집현상을 방지하고, 광활성층의 모폴로지를 최적화하여, 광전변환효율을 현저히 향상시키고자 하였다.
Therefore, in the present invention, by mixing an appropriate amount of the second organic semiconductor material in the first organic semiconductor material, which is a low molecular compound constituting the photoactive layer of the low molecular organic solar cell, an aggregation phenomenon, which was a conventional problem of the low molecular compound as the first organic semiconductor material, And optimize the morphology of the photoactive layer, thereby remarkably improving the photoelectric conversion efficiency.
본 발명의 일 측면은One aspect of the present invention is
기판 상에 형성된 하부 전극;A lower electrode formed on a substrate;
상기 하부 전극 상에 형성된, (a) p-타입 유기 반도체 재료, (b) n-타입 유기 반도체 재료 및 (c) 용매를 포함하는 광활성층; 및A photoactive layer formed on the lower electrode, the photoactive layer including (a) a p-type organic semiconductor material, (b) an n-type organic semiconductor material, and (c) a solvent; And
상기 광활성층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하고,And an upper electrode formed on the photoactive layer,
상기 p-타입 유기 반도체 재료는 (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지에 관한 것이다.The p-type organic semiconductor material includes (a-1) a first organic semiconductor material represented by the following formula (1) and (a-2) a second organic semiconductor material represented by the following formula Organic solar cell.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[화학식 2](2)
상기 화학식에서 In the above formula
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고, 상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이며, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein X 1, X 2, X 3 and X 4, and is the same as or different from each other, are each independently hydrogen or halogen, wherein R 1, R 2, R 3 ,
상기 화학식 1에서 상기 R1 및 R2가 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 갖는 경우, 상기 R3 및 R4도 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 가지고, 상기 화학식 2에서, 상기 R5 및 R6도 서로 대칭이면서 서로 동일한 구조 구조를 갖는 것이, 바람직한데, 이러한 구조의 제1, 2 유기 반도체 재료를 사용하는 것이 분자간 에너지 전달이 우수하다.In the
상기 화학식 1에서 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 직쇄의 알킬기이며, 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 분지쇄의 알킬기이며,Wherein R 1 and R 2 are the same or different and each independently is a straight chain alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, and R 3 and R 4 are the same or different and each independently represent a group having 8 to 22 carbon atoms Branched alkyl group,
상기 화학식 2에서 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 직쇄의 알킬기인 것이 가장 바람직한데, 왜냐하면 이러한 곁사슬을 갖는 구조인 제1 유기 반도체 재료와 이러한 곁사슬을 갖는 구조인 제2 유기 반도체 재료가 혼합될 경우, 서로간의 분자 쌓임, 초분자적 정렬 상태가 가장 개선되기 때문이다.In formula (2), R 3 and R 4 are the same or different, and each independently is a straight-chain alkyl group having 8 to 22 carbon atoms, since the first organic semiconductor material having such a side chain structure and the When the second organic semiconductor material is mixed, molecular accumulation and supramolecular alignment between each other are most improved.
또한, 상술한 효과를 위해서는 상기 화학식 1에서 상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 F인 것이 가장 바람직하다.For the above-mentioned effects, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other in
이하에서, 상기 본 발명에 따른 유기태양전지의 구조를 하기 도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, the structure of the organic solar battery according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
도 1은 본 발명에 따른 유기태양전지(100)를 도시화한 단면도로, 이에 따르면 기판(110) 상에 형성된 하부 전극(120), 상기 하부 전극(120) 상에 형성된 광활성층(130) 및 상기 광활성층(130) 상에 형성된 상부 전극(140)이 차례로 형성되어 있고, 상기 하부 전극(120)과 상기 광활성층(130) 사이에는 PEIE 고분자 표면개질층(120a)이 더 포함될 수 있다.1 is a cross-sectional view illustrating an organic
상기 광활성층(130)은 (a) p-타입 유기 반도체 재료, (b) n-타입 유기 반도체 재료 및 (c) 용매를 포함하고, 여기서 상기 (a) p-타입 유기 반도체 재료는 (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료;를 포함한다.Wherein the photoactive layer (130) comprises (a) a p-type organic semiconductor material, (b) an n- 1) a first organic semiconductor material represented by the following formula (1); and (a-2) a second organic semiconductor material represented by the following formula (2).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[화학식 2](2)
상기 화학식에서 In the above formula
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고, 상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이며, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein X 1, X 2, X 3 and X 4, and is the same as or different from each other, are each independently hydrogen or halogen, wherein R 1, R 2, R 3 ,
상기 화학식 1에서 상기 R1 및 R2가 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 갖는 경우, 상기 R3 및 R4도 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 가지고, 상기 화학식 2에서, 상기 R5 및 R6도 서로 대칭이면서 서로 동일한 구조 구조를 갖는 것이, 바람직한데, 이러한 구조의 제1, 2 유기 반도체 재료를 사용하는 것이 분자간 에너지 전달이 우수하다.In the
상기 화학식 1에서 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 직쇄의 알킬기이며, 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 분지쇄의 알킬기이며,Wherein R 1 and R 2 are the same or different and each independently is a straight chain alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, and R 3 and R 4 are the same or different and each independently represent a group having 8 to 22 carbon atoms Branched alkyl group,
상기 화학식 2에서 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 직쇄의 알킬기인 것이 가장 바람직한데, 왜냐하면 이러한 곁사슬을 갖는 구조인 제1 유기 반도체 재료와 이러한 곁사슬을 갖는 구조인 제2 유기 반도체 재료가 혼합될 경우, 서로간의 분자 쌓임, 초분자적 정렬 상태가 가장 개선되기 때문이다.In formula (2), R 3 and R 4 are the same or different, and each independently is a straight-chain alkyl group having 8 to 22 carbon atoms, since the first organic semiconductor material having such a side chain structure and the When the second organic semiconductor material is mixed, molecular accumulation and supramolecular alignment between each other are most improved.
또한, 상술한 효과를 위해서는 상기 화학식 1에서 상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 F인 것이 가장 바람직하다.For the above-mentioned effects, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other in
본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 기판(110)은 유리, 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 및 폴리이소설포네이트(PES)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 유리 기판일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 전극(120)은 애노드(anode) 또는 캐소드(cathode)일 수 있으며, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(fluorinated Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Al-doped Zinc Oxide), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide), SnO2, ZnO, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene) 및 은 나노선로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 ITO(Indium Tin Oxide)일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 전극(120) 상에 PEIE(polyehthylenimine ethoxylated)로 이루어진 고분자 표면 개질층(120a)이 더 포함될 수 있다. 상기 고분자 표면 개질층(120a)은 1 내지 20 ㎚의 두께로 형성되어 있는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, a polymer
상기 하부 전극(120) 상에 형성된 고분자 표면 개질층(120a)은 PEIE(polyehthylenimine ethoxylated) 고분자로, PEIE에 포함되어 있는 아민기(NH2)의 표면 쌍극자(surface dipole)로 인해 상기 하부 전극(120)의 일함수를 낮추는 효과를 갖는다. 또한 이러한 아민기는 PEIE 고분자 표면개질층(120a) 상에 형성되는 광활성층(130)과의 화학적 상호작용으로 상기 하부 전극(120)과 상기 광활성층(130)의 접착성을 향상시킨다.With the
상기 PEIE 고분자 표면 개질층(120a)를 상기 하부 전극(120) 상에 형성함으로써, 상기 하부 전극(120)과 상기 광활성층(130) 간의 접착성을 향상시킬 수 있고, 상기 하부 전극(120)의 일함수를 낮추어 이를 음극으로도 사용이 가능하게 한다.The adhesion between the
본 발명에 따른 상기 광활성층(130)은 전자-주개와 전자-받개 물질이 서로 섞여 있는 벌크-헤테로정션(Bulk Heterojunction; BHJ) 구조로, (a) p-타입 유기 반도체 재료, (b) n-타입 유기 반도체 재료 및 (c) 용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.The
여기서 상기 (a) p-타입 유기 반도체 재료는 (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료;를 포함한다.The (a) p-type organic semiconductor material includes (a-1) a first organic semiconductor material represented by the following formula (1) and (a-2) a second organic semiconductor material represented by the following formula .
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[화학식 2](2)
상기 화학식에서In the above formula
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고, 상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이며, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.상기 화학식 1에서 상기 R1 및 R2가 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 갖는 경우, 상기 R3 및 R4도 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 가지고, 상기 화학식 2에서, 상기 R5 및 R6도 서로 대칭이면서 서로 동일한 구조 구조를 갖는 것이, 바람직한데, 이러한 구조의 제1, 2 유기 반도체 재료를 사용하는 것이 분자간 에너지 전달이 우수하다.Wherein X 1, X 2, X 3 and X 4, and is the same as or different from each other, are each independently hydrogen or halogen, wherein R 1, R 2, R 3 ,
상기 화학식 1에서 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 직쇄의 알킬기이며, 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 분지쇄의 알킬기이며,Wherein R 1 and R 2 are the same or different and each independently is a straight chain alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, and R 3 and R 4 are the same or different and each independently represent a group having 8 to 22 carbon atoms Branched alkyl group,
상기 화학식 2에서 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 직쇄의 알킬기인 것이 가장 바람직한데, 왜냐하면 이러한 곁사슬을 갖는 구조인 제1 유기 반도체 재료와 이러한 곁사슬을 갖는 구조인 제2 유기 반도체 재료가 혼합될 경우, 서로간의 분자 쌓임, 초분자적 정렬 상태가 가장 개선되기 때문이다.In formula (2), R 3 and R 4 are the same or different, and each independently is a straight-chain alkyl group having 8 to 22 carbon atoms, since the first organic semiconductor material having such a side chain structure and the When the second organic semiconductor material is mixed, molecular accumulation and supramolecular alignment between each other are most improved.
또한, 상술한 효과를 위해서는 상기 화학식 1에서 상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 F인 것이 가장 바람직하다.For the above-mentioned effects, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other in
다시 말해 상기 광활성층(130)은 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; 및 (b) n-타입 유기 반도체 재료;를 (c) 용매에 녹여 제조된 용액으로 형성된 것이므로, (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; (b) n-타입 유기 반도체 재료; 및 (c) 용매를 포함한다.In other words, the
상기 광활성층(130)은 상기 제조된 용액을 용액 공정을 사용하여 형성된 벌크-헤테로정션 형태의 층으로, 상기 용액 공정은 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 닥터블레이드 코팅(Doctor Blade coating), 전기분무 코팅(Electrospray), 딥코팅(Dip coating) 및 스크린 프린팅(screen printing)으로 이루어진 방법들 중에서 선택되는 어느 하나로 수행될 수 있는데 바람직하게는 스핀코팅 방법이다.The
상기 광활성층(130)의 균질성 및 모폴로지와 같은 특성들은 유기태양전지의 성능에 가장 큰 영향을 미치고, 이러한 특성들은 상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 상기 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비 및 용매의 종류와 함량 등의 요소에 의존적이므로, 이들의 수치한정 또는 종류가 갖는 의미는 매우 크다.The properties such as homogeneity and morphology of the
상기 광활성층(130)에서 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료는 1000 내지 2000 g/㏖의 분자량을 가지는 저분자 화합물이고, (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료는 50,000 내지 100,000 g/㏖의 분자량을 가지고 있는 고분자 화합물이다.(A-1) the first organic semiconductor material represented by
여기서 상기 (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료는 (a-1) 제1 유기 반도체 재료에 적정량 혼합됨으로써, 상기 저분자 화합물인 상기 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료의 응집 현상을 저해하여 모폴로지 및 상기 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료의 네트워크 구조를 개선하여, 높은 정공이동도와 높은 광흡수율은 유지하면서도 광전변환효율을 1% 이상 향상시킨 유기태양전지를 제공할 수 있다.The second organic semiconductor material represented by the above formula (a-2) is mixed with the first organic semiconductor material (a-1) in an appropriate amount to form the above-mentioned low molecular compound (a-1) (A-1) the network structure of the first organic semiconductor material represented by the above formula (1) is improved, and the photoelectric conversion efficiency Can be improved by 1% or more.
이때 상기 유기태양전지는 종래의 기술들이 집약된 최적화된 저분자 유기태양전지 구조일 때에도, 본 발명에 따른 광활성층을 도입하면 최대 1% 이상 향상할 수 있음을 하기 실험예를 통해 확인하였다. 즉, 최적화된 구조를 갖는 저분자 유기태양전지에도 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 상기 화학식 1로 표시되는 제2 유기 반도체 재료를 포함하는 본 발명의 광활성층을 사용하면, 더욱 광전변환효율을 향상시키는 현저한 효과를 달성할 수 있다는 것을 알 수 있다.At this time, the organic solar cell can be improved by up to 1% or more when the photoactive layer according to the present invention is introduced even when the organic solar cell has an optimized low molecular organic solar cell structure in which conventional technologies are concentrated. That is, in the low-molecular organic solar cell having the optimized structure, (a-1) the present invention including the first organic semiconductor material represented by
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료는 하기 화학식 3 내지 7로 표시되는 저분자 화합물 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.The first organic semiconductor material (a-1) may be any one selected from low-molecular compounds represented by the following formulas (3) to (7).
[화학식 3](3)
[화학식 4][Chemical Formula 4]
[화학식 5][Chemical Formula 5]
[화학식 6][Chemical Formula 6]
[화학식 7](7)
바람직하게 상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료는 상기 화학식 5로 표시되는 저분자 화합물일 수 있다.Preferably, the (a-1) first organic semiconductor material may be a low molecular weight compound represented by the formula (5).
상기 (a-2) 제2 유기 반도체 재료는 하기 화학식 8로 표시되는 고분자 화합물일 수 있다.The second organic semiconductor material (a-2) may be a polymer compound represented by the following formula (8).
[화학식 8][Chemical Formula 8]
상기 화학식에서In the above formula
n은 1 내지 10,000,000의 정수이며, 더욱 구체적으로 분자량은 90000-100000 g/mol이면 바람직하다.n is an integer of 1 to 10,000,000, and more specifically, a molecular weight of 90,000 to 100,000 g / mol is preferable.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비는 1:0.01-0.04인 것이 바람직한데, 상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 1:0.01 미만이면 모폴로지 개선에 따른 유기태양전지 광전환효율 향상 효과를 달성할 수 없고, 1:0.05 이상이면 약 2.5 배 이상의 큰 폭으로 효율이 오히려 저하되는 문제가 발생하기 때문에, 상기 범위 내에서 수행되는 것이 바람직하다.The mixing weight ratio of the first organic semiconductor material (a-1) and the second organic semiconductor material (a-2) is preferably 1: 0.01-0.04. -2) If the mixing ratio by weight of the second organic semiconductor material is less than 1: 0.01, the organic solar cell light conversion efficiency improvement effect due to the improvement of the morphology can not be attained. If the ratio is 1: 0.05 or more, It is preferable to perform it within the above-mentioned range.
또한, 상기 (c) 용매는 클로로벤젠 및 1,8-다이아이오도옥테인으로 이루어진 혼합용매인 것이 바람직한데, 만일 상기 혼합용매 외에 다른 용매가 사용될 경우 후술하는 실험예에서 확인된 바와 같이, 1% 이하, 최대 2% 이하로 광전환효율이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다.The solvent (c) is preferably a mixed solvent composed of chlorobenzene and 1,8-diiodoctane. If a solvent other than the mixed solvent is used, as shown in the following Experimental Example, Or less, and the light conversion efficiency is remarkably lowered to a maximum of 2% or less.
상기 클로로벤젠과 1,8-다이아이오도옥테인의 혼합 부피비는 1 : 0.002-5인 것이 바람직하다.The mixing volume ratio of the chlorobenzene and the 1,8-diiodoctane is preferably 1: 0.002-5.
즉, 본 발명에 따른 유기태양전지에서 광활성층(130)의 가장 바람직한 구성은 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료; (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; (b) n-타입 유기 반도체 재료; 및 (c) 용매를 포함하고, (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비는 1:0.01-0.04이며, 상기 (c) 용매는 클로로벤젠 및 1,8-다이아이오도옥테인으로 이루어진 혼합용매이면서, 상기 클로로벤젠과 1,8-다이아이오도옥테인의 혼합 부피비는 1 : 0.002-5인 조건을 모두 만족하는 것으로, 이들 중에서 어느 하라도 상기 범위 및 구성을 벗어나게 되면 후술하는 실험예에서와 같이 광전환효율이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다.That is, the most preferred structure of the
상술한 본 발명의 구성을 만족하는 광활성층(130)을 도입하게 되면, 최적화된 구조를 갖고 있는 유기태양전지라 하더라도, 최소 0.1 % 최대 1% 이상 광전환효율을 더 향상시킬 수 있다.By introducing the
즉, 최적화된 유기태양전지에 추가적으로 광전환효율을 향상시킬 수 있다는 것은, 그것만으로도 당업계에서 유의한 의미를 가지는 효과이며, 본 발명은 더 나아가 1% 이상의 효율을 향상시키고 있으므로 매우 현저한 효과를 달성하고 있음을 알 수 있다.That is, the ability to improve the light conversion efficiency in addition to the optimized organic solar cell is an effect having significant significance in the art alone. The present invention further improves the efficiency of 1% or more, and thus achieves a remarkable effect .
아울러, 상술한 광활성층(130)과 동일한 구성이라 하더라도, (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료; (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 조금이라도 벗어나면 본 발명의 효과를 달성할 수 없을 뿐만 아니라, 오히려 광전환효율이 저하되는 문제가 발생하므로, (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료; (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료를 혼합하여 사용하는데 의미가 없어지는 문제가 존재한다.Furthermore, even if the same structure as the above-described
상기 (b) n-타입 유기 반도체 재료는 메틸(6,6)-페닐-C61-부티레이트(PC60BM), (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(C60-PCBM), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르(C70-PCBM), (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르(C76-PCBM), (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르(C78-PCBM), (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸에스테르(C80-PCBM), (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸에스테르(C82-PCBM), (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸에스테르(C84-PCBM), 비스(1-[3-(메톡시카르보닐)프로필]-1-페닐)(Bis-C60-PCBM), 3'-페닐-3'H-시클로프로파(8,25)(5,6)플러렌-C70-비스-D5h(6)-3'-부티르산 메틸 에스테르(Bis-C70-PCBM), 인덴-C60-비스어덕트(ICBA), 모노인덴닐C60(ICMA) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르(C70-PCBM)일 수 있다.The (b) n- type organic semiconductor material is Methyl (6,6) -phenyl -C61- butyrate (PC 60 BM), (6,6) -phenyl -C61- butynyl rigs Acid methyl ester (C 60 -PCBM) , (6,6) -phenyl -C71- butynyl rigs Acid methyl ester (C 70 -PCBM), (6,6) -phenyl -C77- butynyl rigs Acid methyl ester (C 76 -PCBM), (6,6) -Phenyl-C79-butyric acid methyl ester (C 78 -PCBM), (6,6) -phenyl-C 81 -butylic acid methyl ester (C 80 -PCBM) Rick acid methyl ester (C 82 -PCBM), (6,6 ) - phenyl butyric -C85- rigs acid methyl ester (C 84 -PCBM), bis (1- [3- (methoxycarbonyl) propyl] -1 phenyl) (bis-C 60 -PCBM) , 3'- phenyl -3'H- cycloalkyl profile (8,25) (5,6) fullerene -C70- bis -D5h (6) -3'- acid methyl May be any one or more selected from the group consisting of esters (Bis-C 70 -PCBM), indene-C60-bis-adduct (ICBA), monoindenyl C60 (ICMA), and combinations thereof, 6,6) -phenyl-C71-butyric acid methyl ester Can be Termini (C 70 -PCBM).
본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 상부 전극은 MoO3/Ag 또는 Au, Pt 등이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the upper electrode may be made of MoO 3 / Ag, Au, Pt, or the like.
본 발명에 따른 유기 태양전지의 가장 바람직한 전형적인 구조의 일예로는 기판 상에 ITO 층과 PEIE 고분자 표면 개질층이 차례로 형성되어 있고, 상기 고분자 표면 개질층 상에 저분자 화합물과 고분자 화합물 및 용매를 혼합한 용액을 코팅하여 제조된 광활성층과 MoO3/Ag 상부 전극이 차례로 형성되어 있는 구조로 제작될 수 있다.
An example of the most preferable typical structure of the organic solar cell according to the present invention is that an ITO layer and a PEIE polymer surface modification layer are sequentially formed on a substrate and a polymer compound and a solvent are mixed on the polymer surface modification layer A photoactive layer prepared by coating a solution and a
본 발명의 다른 측면은 아래 단계들을 포함하는 유기태양전지의 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the invention relates to a method of making an organic solar cell comprising the steps of:
Ⅰ) 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;I) forming a lower electrode on a substrate;
Ⅱ) (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; (b) n-타입 유기 반도체 재료; 및 (c) 용매;를 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계;(A-1) a first organic semiconductor material represented by the following formula (1) and (a-2) a second organic semiconductor material represented by the following formula (2) (b) an n-type organic semiconductor material; And (c) a solvent to prepare a first solution;
Ⅲ) 상기 제1 용액을 상기 하부 전극 상에 코팅하여 광활성층을 형성하는 단계; 및III) coating the first solution on the lower electrode to form a photoactive layer; And
Ⅳ) 상기 광활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.IV) forming an upper electrode on the photoactive layer.
본 발명의 유기태양전지를 제조하는 방법을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The method for producing the organic solar cell of the present invention will be described in more detail as follows.
Ⅰ) 기판 상에 하부 전극을 형성하는데, 이때 하부 전극을 기판 상에 증착하는 방법에 의해 형성할 수 있다.(I) A lower electrode is formed on a substrate, and the lower electrode may be formed on the substrate by vapor deposition.
상기 증착하는 방법은 태양전지 기술분야에서 통상적으로 사용되는 증착방법이면 특별히 이에 제한되지 않고 사용이 가능하며, 바람직하게는 화학기상증착법, 물리적 기상 증착 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 이중에서도 빠른 증착 속도, 대면적 증착 및 상대적인 저온 증착이 가능한 스퍼터링법을 통해 형성할 수 있다.The deposition method is not particularly limited as long as it is a deposition method commonly used in the field of solar cell technology. Preferably, the deposition method is selected from the group consisting of a chemical vapor deposition method and a physical vapor deposition method . Of these, a rapid deposition rate, a large-area deposition, and a relatively low-temperature deposition can be formed through a sputtering method.
상기 기판은 예컨대 유리, 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이소설포네이트(PES) 중에서 선택된 재질의 기판이 적용될 수 있다. 가장 바람직하게는 유리기판이 적용될 수 있다.The substrate may be made of a material selected from, for example, glass, polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), and polyisosulfonate (PES). Most preferably, a glass substrate can be applied.
상기 하부 전극은 애노드(anode) 또는 캐소드(cathode)일 수 있으며, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(fluorinated Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Al-doped Zinc Oxide), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide), SnO2, ZnO, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene) 및 은 나노선로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 ITO(Indium Tin Oxide)일 수 있다.The lower electrode may be an anode or a cathode. The lower electrode may be formed of a material selected from the group consisting of ITO (Indium Tin Oxide), FTO (fluorinated Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), AZO Zinc Tin Oxide), SnO 2 , ZnO, carbon nanotubes, graphene, and silver nanowires, and may be indium tin oxide (ITO).
상기 Ⅰ) 단계 이후, 상기 Ⅱ) 단계 이전에, Ⅰ-1) 상기 하부 전극 상에 PEIE 고분자 표면 개질층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.After step (I), before step (II), step (I-1) may further comprise forming a PEIE polymer surface modification layer on the lower electrode.
이때, PEIE 고분자 표면 개질층을 상기 하부 전극 상에 형성하기 위해서는 PEIE 고분자를 포함하는 용액을 스핀 코팅 방법으로 상기 하부 전극 표면에 코팅하여 형성할 수 있다.At this time, in order to form the PEIE polymer surface modification layer on the lower electrode, a solution containing the PEIE polymer may be formed on the surface of the lower electrode by spin coating.
이러한 PEIE 고분자 표면개질층을 상기 하부 전극 상에 형성할 경우, 일함수가 높은 전극도 하부 전극으로 사용할 수 있도록 일함수를 낮추는 효과를 가지기 때문에, 낮은 일함수 전극을 사용함에 의해 발생하는 수명 저하 문제를 방지 및 해결할 수 있다. 즉, 유기태양전지의 수명을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.When such a PEIE polymer surface modification layer is formed on the lower electrode, since the work function is lowered so that the electrode having a higher work function can also be used as the lower electrode, the life shortening problem caused by the use of the low work function electrode Can be prevented and solved. That is, the effect of improving the lifetime of the organic solar battery can be obtained.
상기 PEIE 고분자 표면개질층은 PEIE(polyehthylenimine ethoxylated)로 이루어진 것일 수 있고, 1 내지 20 ㎚의 두께로 형성되어 있는 것이 바람직하다.The PEIE polymer surface modification layer may be made of PEIE (polyehthylenimine ethoxylated), and preferably has a thickness of 1 to 20 nm.
상기 하부 전극 상에 형성된 고분자 표면 개질층은 PEIE(polyehthylenimine ethoxylated) 고분자로, PEIE에 포함되어 있는 아민기(NH2)의 표면 쌍극자(surface dipole)로 인해 상기 하부 전극의 일함수를 낮추는 효과를 갖는다. 또한 이러한 아민기는 PEIE 고분자 표면개질층 상에 형성되는 광활성층과의 화학적 상호작용으로 상기 하부 전극)과 상기 광활성층의 접착성을 향상시킨다.The polymer surface modification layer formed on the lower electrode has a function of lowering the work function of the lower electrode due to the surface dipole of the amine group (NH 2 ) contained in the PEIE, which is a PEIE (polyehthylenimine ethoxylated) polymer . This amine group improves the adhesion between the lower electrode) and the photoactive layer due to chemical interaction with the photoactive layer formed on the PEIE polymer surface modification layer.
상기 Ⅰ-1) 다음, Ⅰ-2) 상기 Ⅰ-1)에서 형성된 PEIE 고분자 표면개질층을 80 내지 130 ℃에서, 5 내지 15 분 동안 건조하는 과정을 더 포함할 수 있다.The step (I-1) may further include: (I-2) drying the PEIE polymer surface modification layer formed at the step (I-1) at 80 to 130 ° C for 5 to 15 minutes.
다음으로, (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; (b) n-타입 유기 반도체 재료; 및 (c) 용매;를 혼합하여 제1 용액을 제조한 후(Ⅱ), 이를 상기 하부 전극 또는 상기 PEIE 고분자 표면개질층 상에 코팅하여 광활성층을 형성한다(Ⅲ).(A-1) a first organic semiconductor material represented by the following
우선 Ⅱ) (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; (b) n-타입 유기 반도체 재료; 및 (c) 용매;를 혼합하여 제1 용액을 제조한다.(A-1) a first organic semiconductor material represented by the following
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[화학식 2](2)
상기 화학식에서 In the above formula
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고, 상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이며, n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.Wherein X 1, X 2, X 3 and X 4, and is the same as or different from each other, are each independently hydrogen or halogen, wherein R 1, R 2, R 3 ,
상기 화학식 1에서 상기 R1 및 R2가 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 갖는 경우, 상기 R3 및 R4도 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 가지고, 상기 화학식 2에서, 상기 R5 및 R6도 서로 대칭이면서 서로 동일한 구조 구조를 갖는 것이, 바람직한데, 이러한 구조의 제1, 2 유기 반도체 재료를 사용하는 것이 분자간 에너지 전달이 우수하다.In the
상기 화학식 1에서 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 직쇄의 알킬기이며, 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 분지쇄의 알킬기이며,Wherein R 1 and R 2 are the same or different and each independently is a straight chain alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, and R 3 and R 4 are the same or different and each independently represent a group having 8 to 22 carbon atoms Branched alkyl group,
상기 화학식 2에서 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 직쇄의 알킬기인 것이 가장 바람직한데, 왜냐하면 이러한 곁사슬을 갖는 구조인 제1 유기 반도체 재료와 이러한 곁사슬을 갖는 구조인 제2 유기 반도체 재료가 혼합될 경우, 서로간의 분자 쌓임, 초분자적 정렬 상태가 가장 개선되기 때문이다.In formula (2), R 3 and R 4 are the same or different, and each independently is a straight-chain alkyl group having 8 to 22 carbon atoms, since the first organic semiconductor material having such a side chain structure and the When the second organic semiconductor material is mixed, molecular accumulation and supramolecular alignment between each other are most improved.
또한, 상술한 효과를 위해서는 상기 화학식 1에서 상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 F인 것이 가장 바람직하다.For the above-mentioned effects, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other in
상기 유기태양전지의 성능에는 상기 광활성층의 균질성 및 모폴로지와 같은 특성들이 가장 큰 영향을 미치고, 상기 광활성층의 특성은 상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 상기 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비 및 용매의 종류와 함량 등의 요소에 의존적이므로, 이러한 광활성층의 구성요소들이 상기 유기태양전지의 성능에 매우 중요하다.The characteristics of the photoactive layer are the same as those of the first organic semiconductor material (a-1) and the second organic semiconductor material (a-2) Organic semiconductor materials, and the kind and content of the solvent. Therefore, the components of the photoactive layer are very important for the performance of the organic solar cell.
(a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료는 1000 내지 2000 g/㏖의 분자량을 가지는 저분자 화합물이고, (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료는 50,000 내지 100,000 g/㏖의 분자량을 가지고 있는 고분자 화합물이다.(a-1) the first organic semiconductor material represented by
여기서 상기 (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료는 (a-1) 제1 유기 반도체 재료에 적정량 혼합됨으로써, 상기 저분자 화합물인 상기 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료의 응집 현상을 저해하여 모폴로지 및 상기 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료의 네트워크 구조를 개선하여, 높은 정공이동도와 높은 광흡수율은 유지하면서도 유기태양전지의 광전변환효율을 1% 이상 향상시키는 현저히 우수한 효과를 달성한다.The second organic semiconductor material represented by the above formula (a-2) is mixed with the first organic semiconductor material (a-1) in an appropriate amount to form the above-mentioned low molecular compound (a-1) The aggregation phenomenon of the first organic semiconductor material is inhibited to improve the morphology and the network structure of the first organic semiconductor material represented by the above formula (1) (a-1), so that the organic semiconductor material having high hole mobility and high light absorption rate, A photoelectric conversion efficiency of 1% or more is achieved.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료는 하기 화학식 3 내지 7로 표시되는 저분자 화합물 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.The first organic semiconductor material (a-1) may be any one selected from low-molecular compounds represented by the following formulas (3) to (7).
[화학식 3](3)
[화학식 4][Chemical Formula 4]
[화학식 5][Chemical Formula 5]
[화학식 6][Chemical Formula 6]
[화학식 7](7)
바람직하게 상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료는 상기 화학식 5로 표시되는 저분자 화합물일 수 있다.Preferably, the (a-1) first organic semiconductor material may be a low molecular weight compound represented by the formula (5).
상기 (a-2) 제2 유기 반도체 재료는 하기 화학식 8로 표시되는 고분자 화합물일 수 있다.The second organic semiconductor material (a-2) may be a polymer compound represented by the following formula (8).
[화학식 8][Chemical Formula 8]
상기 화학식에서In the above formula
n은 1 내지 10,000,000의 정수이며, 더욱 구체적으로 분자량은 50000-100000 g/mol이면 바람직하다.n is an integer of 1 to 10,000,000, and more specifically, a molecular weight of 50,000 to 100,000 g / mol is preferable.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비는 1:0.01-0.04인 것이 바람직한데, 상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 1:0.01 미만이면 모폴로지 개선에 따른 유기태양전지 광전환효율 향상 효과를 달성할 수 없고, 1:0.05 이상이면 약 2.5 배 이상의 큰 폭으로 효율이 오히려 저하되는 문제가 발생하기 때문에, 상기 범위 내에서 수행되는 것이 바람직하다.The mixing weight ratio of the first organic semiconductor material (a-1) and the second organic semiconductor material (a-2) is preferably 1: 0.01-0.04. -2) If the mixing ratio by weight of the second organic semiconductor material is less than 1: 0.01, the organic solar cell light conversion efficiency improvement effect due to the improvement of the morphology can not be attained. If the ratio is 1: 0.05 or more, It is preferable to perform it within the above-mentioned range.
또한, 상기 (c) 용매는 클로로벤젠 및 1,8-다이아이오도옥테인으로 이루어진 혼합용매인 것이 바람직한데, 만일 상기 혼합용매외에 다른 용매가 사용될 경우 후술하는 실험예에서 확인된 바와 같이, 1% 이하, 최대 2% 이하로 광전환효율이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다.The solvent (c) is preferably a mixed solvent composed of chlorobenzene and 1,8-diiodoctane. If a solvent other than the mixed solvent is used, as shown in the following Experimental Example, Or less, and the light conversion efficiency is remarkably lowered to a maximum of 2% or less.
상기 클로로벤젠과 1,8-다이아이오도옥테인의 혼합 부피비는 1 : 0.002-5인 것이 바람직하다.The mixing volume ratio of the chlorobenzene and the 1,8-diiodoctane is preferably 1: 0.002-5.
즉, 본 발명에 따른 유기태양전지 제조방법에서 광활성층을 제조하기위한 제1 용액으로 가장 바람직한 구성은 (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료; (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; (b) n-타입 유기 반도체 재료; 및 (c) 용매를 포함하고, (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비는 1:0.01-0.04이며, 상기 (c) 용매는 클로로벤젠 및 1,8-다이아이오도옥테인으로 이루어진 혼합용매이면서, 상기 클로로벤젠과 1,8-다이아이오도옥테인의 혼합 부피비는 1 : 0.002-5인 조건을 모두 만족하는 것으로, 이들 중에서 어느 하라도 상기 범위 및 구성을 벗어나게 되면, 이를 통해 제조된 유기태양전지의 성능이 후술하는 실험예에서와 같이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다.That is, in the method for manufacturing an organic solar cell according to the present invention, the first solution for preparing the photoactive layer is most preferably composed of (a-1) the first organic semiconductor material represented by
상술한 본 발명에 따라 유기태양전지를 제조하게 되면, 최적화된 구조를 갖고 있는 유기태양전지라 하더라도, 최소 0.1 % 최대 1% 이상 광전환효율을 더 향상시킬 수 있다.When the organic solar battery according to the present invention is manufactured, the organic solar battery having the optimized structure can further improve the light conversion efficiency by at least 0.1% and at most 1%.
아울러, 상술한 제1 용액과 동일한 조성이라 하더라도, (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료; (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 조금이라도 벗어나면 본 발명의 효과를 달성할 수 없을 뿐만 아니라, 오히려 제조된 유기태양전지의 광전환효율이 저하되는 문제가 발생하므로, (a-1) 상기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료; (a-2) 상기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료를 혼합하여 사용하는데 의미가 없어지는 문제가 존재한다.(A-1) a first organic semiconductor material represented by the above-mentioned formula (1), even if it has the same composition as the above-mentioned first solution; (a-2) If the mixing weight ratio of the second organic semiconductor material represented by
상기 (b) n-타입 유기 반도체 재료는 메틸(6,6)-페닐-C61-부티레이트(PC60BM), (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(C60-PCBM), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르(C70-PCBM), (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르(C76-PCBM), (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르(C78-PCBM), (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸에스테르(C80-PCBM), (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸에스테르(C82-PCBM), (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸에스테르(C84-PCBM), 비스(1-[3-(메톡시카르보닐)프로필]-1-페닐)(Bis-C60-PCBM), 3'-페닐-3'H-시클로프로파(8,25)(5,6)플러렌-C70-비스-D5h(6)-3'-부티르산 메틸 에스테르(Bis-C70-PCBM), 인덴-C60-비스어덕트(ICBA), 모노인덴닐C60(ICMA) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르(C70-PCBM)일 수 있다.The (b) n- type organic semiconductor material is Methyl (6,6) -phenyl -C61- butyrate (PC 60 BM), (6,6) -phenyl -C61- butynyl rigs Acid methyl ester (C 60 -PCBM) , (6,6) -phenyl -C71- butynyl rigs Acid methyl ester (C 70 -PCBM), (6,6) -phenyl -C77- butynyl rigs Acid methyl ester (C 76 -PCBM), (6,6) -Phenyl-C79-butyric acid methyl ester (C 78 -PCBM), (6,6) -phenyl-C 81 -butylic acid methyl ester (C 80 -PCBM) Rick acid methyl ester (C 82 -PCBM), (6,6 ) - phenyl butyric -C85- rigs acid methyl ester (C 84 -PCBM), bis (1- [3- (methoxycarbonyl) propyl] -1 phenyl) (bis-C 60 -PCBM) , 3'- phenyl -3'H- cycloalkyl profile (8,25) (5,6) fullerene -C70- bis -D5h (6) -3'- acid methyl May be any one or more selected from the group consisting of esters (Bis-C 70 -PCBM), indene-C60-bis-adduct (ICBA), monoindenyl C60 (ICMA), and combinations thereof, 6,6) -phenyl-C71-butyric acid methyl ester Can be Termini (C 70 -PCBM).
이 후, Ⅲ) 상기 제1 용액을 상기 하부 전극 상에 코팅하여 광활성층을 형성하는데, 구체적으로 상기 제1 용액을 상기 하부 전극 또는 PEIE 고분자 표면개질층 상에 코팅하여 광활성층을 형성할 수 있다.Next, (III) the first solution is coated on the lower electrode to form a photoactive layer. Specifically, the photoactive layer may be formed by coating the first solution on the lower electrode or the PEIE polymer surface modification layer .
상기 코팅방법은 스핀코팅(spin coating), 노즐 코팅(Nozzle Coating), 스프레이 코팅(Spray Coating), 잉크젯(Inkjet) 및 슬릿 코팅(Slit Coating)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있는데 바람직하게는 스핀코팅으로 수행될 수 있다.The coating method may be carried out by any one method selected from the group consisting of spin coating, nozzle coating, spray coating, inkjet and slit coating. Preferably by spin coating.
마직막으로, Ⅲ) 상기 광활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함한다. 상기 광활성층 상에 통상의 방법으로 상부 전극을 형성할 수 있다.(III) forming an upper electrode on the photoactive layer. An upper electrode may be formed on the photoactive layer by a conventional method.
상기 상부 전극은 본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 상부 전극은 MoO3/Ag 또는 Au, Pt 등이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the upper electrode may be made of MoO 3 / Ag, Au, Pt, or the like.
상기와 같이 제조된 유기태양전지는 제1 용액을 이용하여 형성된 광활성층을 포함함으로써, 보다 간단한 제조 공정을 통하여 높은 광전변환효율을 가지는 태양전지를 제조할 수 있다.
The organic solar cell manufactured as described above includes the photoactive layer formed using the first solution, so that a solar cell having high photoelectric conversion efficiency can be manufactured through a simpler manufacturing process.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.
합성예Synthetic example 1. 화학식 3으로 표시되는 화합물( 1. A compound represented by the general formula (3) DTSDTS -0F); 7,7'-(4,4--0F); 7,7 '-( 4,4- 비스Bis -- 에틸헥실Ethylhexyl )-4H-) -4H- 실로로[3,2-b:4,5-b']디티오펜3, < / RTI > 2-b: 4,5-b '] dithiophene -2,6--2,6- 디일Dill )) 비스Bis (4-(5'-(4- (5'- 헥실Hexyl -[2,2'-- [2,2'- 바이티오Vitio 펜]-5-일)벤조[c][1,2,5]사이아디졸)Phen] -5-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole)
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
15 ㎖ 리액션 튜브를 진공상태로 만든 후, 3회 이상 플레임 드라잉(flame drying)하여 초자 내부의 수분을 제거하였다. 화합물 10(0.55 g, 1.18 mmol), 화합물 11(0.40 g, 0.54 mmol)을 각각 첨가하고 진공과 벤팅(venting)과정을 3회 반복하여 초자내부를 질소 분위기로 만들었다. 이를 정제된 톨루엔(5.4 ㎖)과 Pd(PPh3)4(0.062 g, 0.05 mmol)을 넣고 마이크로웨이브(microwave)에서 교반한 후, 160 ℃ 에서 1 시간 동안 교반하여 반응을 종결하였다. 얻어낸 혼합물을 감압 회전기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산과 클로로포름을 이용하여 컬럼크로마토그래피를 실시하여 화학식 3으로 표시되는 화합물을 0.504 g, 86% 수율로 얻었다. 이상의 반응 과정은 상기 반응식 1에 나타내었다.The 15 ml reaction tube was evacuated and flame-dried three or more times to remove water inside the glass. Compound 10 (0.55 g, 1.18 mmol) and compound 11 (0.40 g, 0.54 mmol) were added, respectively, and vacuum and venting were repeated three times to make the inside of the bulb nitrogen atmosphere. The purified toluene (5.4 ml) and Pd (PPh 3 ) 4 (0.062 g, 0.05 mmol) were added thereto and stirred in a microwave. The solvent was removed from the resulting mixture by using a rotary evaporator, and then subjected to column chromatography using hexane and chloroform to obtain 0.504 g of a compound represented by the formula (3) in a yield of 86%. The above reaction process is shown in
1H NMR (400MHz, CDCl3):δ=8.19(t, 2H), 8.00(d, 2H), 7.78(m, 4H), 7.16(d, 2H), 7.09(d, 2H), 6.71(d, 2H), 2.81(t, 4H), 1.68(m, 4H), 1.38~1.09(m, 34H), 0.92~0.81(m, 18H).
1 H NMR (400MHz, CDCl 3 ): δ = 8.19 (t, 2H), 8.00 (d, 2H), 7.78 (m, 4H), 7.16 (d, 2H), 7.09 (d, 2H), 6.71 (d , 2H), 2.81 (t, 4H), 1.68 (m, 4H), 1.38 ~ 1.09 (m, 34H), 0.92 ~ 0.81 (m, 18H).
합성예 2. 화학식 4로 표시되는 화합물Synthesis Example 2. Synthesis of Compound (4)
2-1) 화학식 14로 표시되는 화합물의 합성; 4-(4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-실로로[2-1) Synthesis of the compound represented by the formula (14); 4- (4,4-bis (2-ethylhexyl) -4H-silolo [ 3,2-b:4,5-b']디티오펜3,2-b: 4,5-b '] dithiophene -2-일)-5-Yl) -5- 플로로Floro -7-(5'--7- (5'- 헥실Hexyl -[2,2'-- [2,2'- 바이티오펜Batiotopen ]-5-일)벤조[] -5-yl) benzo [ c][1,2,5]사이아디졸c] [1,2,5] thiadiazole
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
15 ㎖ 리액션 튜브를 진공상태로 만든 후 3회 이상 플레임 드라잉(flame drying)하여 초자 내부의 수분을 제거하였다. 화합물 12(0.87 g, 1.51 mmol), 화합물 13(0.60 g, 1.25 mmol)을 각각 첨가하고 진공과 벤팅(venting)과정을 3회 반복하여 초자내부를 질소 분위기로 만들었다. 이를 정제된 톨루엔(7.4 ㎖)과 Pd(PPh3)4(0.071 g, 0.06 mmol)을 넣고 마이크로웨이브(microwave)에서 교반한 후, 160 ℃ 에서 1 시간 동안 교반하여 반응을 종결하였다. 얻어낸 혼합물을 감압 회전기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산과 클로로포름을 이용하여 컬럼크로마토그래피를 실시하여 화합물 14로 표시되는 화합물 0.85 g, 82.6% 수율로 얻었다. 이상의 반응 과정은 상기 반응식 2에 나타내었다.The 15 ml reaction tube was vacuumed and flame-dried more than 3 times to remove moisture inside the glass. Compound 12 (0.87 g, 1.51 mmol) and compound 13 (0.60 g, 1.25 mmol) were added, respectively, and vacuum and venting were repeated three times to make the inside of the bulb nitrogen atmosphere. The resulting solution was mixed with purified toluene (7.4 ml) and Pd (PPh 3 ) 4 (0.071 g, 0.06 mmol), and the mixture was stirred in microwave and then stirred at 160 ° C for 1 hour to complete the reaction. The solvent was removed using a rotary evaporator under reduced pressure, and the residue was subjected to column chromatography using hexane and chloroform to obtain 0.85 g of the compound represented by the formula (14) in a yield of 82.6%. The above reaction process is shown in
1H NMR (400MHz, CDCl3):δ=8.28(t, 1H), 8.03(d, 1H), 7.73(d, 1H), 7.27(d, 1H), 7.19(d, 1H), 7.12(d, 1H), 7.08(d, 1H), 6.73(d, 1H), 2.82(t, 2H), 1.70(m, 2H), 1.47~0.97(m, 28H) 0.96~0.76 (m, 15H).
1 H NMR (400MHz, CDCl 3 ): δ = 8.28 (t, 1H), 8.03 (d, 1H), 7.73 (d, 1H), 7.27 (d, 1H), 7.19 (d, 1H), 7.12 (d 1H), 7.08 (d, 1H), 6.73 (d, 1H), 2.82 (t, 2H), 1.70 (m, 2H), 1.47-0.97 (m, 28H) 0.96-0.76 (m, 15H).
2-2) 화학식 4로 표시되는 화합물(DTS-1F); 4-(4,4-비스(2-에틸헥실)-6-(7-(5'-헥실-[2,2'-바이티오펜]-5-일)벤조[c][1,2,5]사이아디졸-4-일)-4H-실로로[3,2-b:4,5-b']디티오펜-2-일)-5-플로로-7-(5'-헥실-[2,2'-바이티오펜]-5-일)벤조[c][1,2,5]사이아디졸) 합성2-2) a compound represented by the formula (4) (DTS-1F); Benzo [c] [1, < / RTI > 2, 5-fluoro-7- (5 ' -hexyl-pyrimidin- [2,2'-bithiophen] -5-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole) Synthesis
[반응식 3][Reaction Scheme 3]
15 ㎖ 리액션 튜브를 진공상태로 만든 후 3회 이상 플레임 드라잉(flame drying)하여 초자 내부의 수분을 제거하였다. 화합물 10(0.26 g, 0.56 mmol), 화합물 15(0.53 g, 0.54 mmol)을 각각 첨가하고 진공과 벤팅(venting)과정을 3회 반복하여 초자내부를 질소 분위기로 만들었다. 이를 정제된 톨루엔(7.7 ㎖)과 Pd(PPh3)4(0.031 g, 0.02 mmol)을 넣고 마이크로웨이브(microwave)에서 교반한 후, 160 ℃ 에서 1 시간 동안 교반하여 반응을 종결하였다. 얻어낸 혼합물을 감압 회전기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산과 클로로포름을 이용하여 컬럼크로마토그래피를 실시하여 화학식 4로 표시되는 화합물(DTS-1F)을 0.461g, 71% 수율로 얻었다. 이상의 반응 과정은 상기 반응식 3에 나타내었다.The 15 ml reaction tube was vacuumed and flame-dried more than 3 times to remove moisture inside the glass. Compound 10 (0.26 g, 0.56 mmol) and compound 15 (0.53 g, 0.54 mmol) were added, respectively, and vacuum and venting were repeated three times to make the inside of the bulb nitrogen atmosphere. Put it refined toluene (7.7 ㎖) and Pd (PPh 3) 4 (0.031 g, 0.02 mmol) was stirred in a microwave (microwave), the reaction was terminated by stirring for 1 hour at 160 ℃. The resulting mixture was subjected to column chromatography using hexane and chloroform to remove the solvent by using a reduced pressure rotator to obtain 0.461 g of compound (DTS-1F) represented by the formula (4) in 71% yield. The above reaction process is shown in the above-mentioned
1H NMR (400MHz, CDCl3):δ=8.33(t, 1H), 8.20(t, 1H), 8.03~8.01(m, 2H), 7.82(m, 2H), 7.70(d, 1H), 7.18~7.17(m, 2H), 7.12~7.10(m, 2H), 6.73~6.71(m, 2H), 2.84~2.80 (m, 4H), 1.74~1.67(m, 4H), 1.42~1.05(m, 34H), 0.92~0.80(m, 18H).
1 H NMR (400MHz, CDCl 3 ): δ = 8.33 (t, 1H), 8.20 (t, 1H), 8.03 ~ 8.01 (m, 2H), 7.82 (m, 2H), 7.70 (d, 1H), 7.18 4H), 1.74-1.67 (m, 4H), 1.42-1.05 (m, 2H), 7.17-7.10 (m, 34H), 0.92-0.80 (m, 18H).
합성예 3. 화학식 5로 표시되는 화합물의 합성Synthesis Example 3. Synthesis of Compound Represented by
3-1) 화학식 16으로 표시되는 화합물(4-(6-브로모-4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-실로로[3,2-b:4,5-b']디티오펜-2-일)-5-플로로-7-(5'-헥실-[2,2'-바이티오펜]-5-일)벤조[c][1,2,5]사이아디졸) 합성3-1) Synthesis of the compound represented by the formula (16) (4- (6-bromo-4,4-bis (2-ethylhexyl) -4H-silolo [3,2- (5'-hexyl- [2,2'-bithiophen] -5-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole) synthesis
[반응식 4][Reaction Scheme 4]
250 ㎖ 리액션 튜브에 화합물 15로 표시되는 화합물(0.81 g, 0.99 mmol)과 클로로포름(76 ㎖)을 넣고 0 ℃의 얼음물에서 빛을 차단한 채 교반하였다. 이후 여기에 앤-브로모썩신이미드(0.18 g, 1.04 mmol)를 수 차례 나눠서 첨가하고, 상온에서 16 시간 동안 반응시킨 다음, 이를 분별 깔대기로 물과 디클로로메테인을 이용하여 추출하였다. 이들 중에서 디클로로메테인 층을 감압회전증발기를 이용하여 용매를 제거하고, 생성물을 얻어낸 다음 헥산과 클로로포름을 사용한 컬럼크로마토그래피를 실시하여 화합물 16으로 표시되는 화합물을 0.85 g, 94 % 수율로 얻었다. 이상의 반응 과정은 상기 반응식 4에 나타내었다.(0.81 g, 0.99 mmol) and chloroform (76 ml) were added to a 250 ml reaction tube and the mixture was stirred under ice-cooling at 0 ° C while blocking the light. Then, an-bromosuccinimide (0.18 g, 1.04 mmol) was added thereto several times and reacted at room temperature for 16 hours, and then extracted with water and dichloromethane in a separating funnel. Among them, the dichloromethane layer was removed with a rotary evaporator to obtain a product. The product was purified by column chromatography using hexane and chloroform to obtain 0.85 g of the compound represented by the formula (16) in 94% yield. The above reaction process is shown in
1H NMR (400MHz, CDCl3):δ=8.26(t, 1H), 8.03(d, 1H), 7.72(d, 1H), 7.18(d, 1H), 7.11(d, 1H), 7.04(s, 1H), 6.72(d, 1H), 2.82(t, 2H), 1.68(m, 2H), 1.45~0.98 (m, 28H) 0.92~0.77 (m, 15H).
1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ):? = 8.26 (t, IH), 8.03 (d, IH), 7.72 (M, 1H), 6.72 (d, 1H), 2.82 (t, 2H), 1.68 (m, 2H), 1.45-0.98 (m, 28H) 0.92-0.77
3-2) 화학식 17로 표시되는 화합물(4-(4,4-비스(2-에틸헥실)-6-(트리메틸스텐일)-4H-실로로[3,2-b:4,5-b']디티오펜-2-일)-5-플로로-7-(5'-헥실-[2,2'-바이티오펜]-5-일)벤조[c][1,2,5]사이아디졸) 합성.3-2) Synthesis of the compound represented by the formula (17) (4- (4,4-bis (2-ethylhexyl) -6- (trimethylstannyl) -4H-silolo [3,2- (5'-hexyl- [2,2'-bithiophen] -5-yl) benzo [c] [1,2,5] biphenyl- ≪ / RTI >
[반응식 5][Reaction Scheme 5]
15 ㎖ 리액션 튜브에 화합물 16로 표시되는 화합물(0.81 g, 0.90 mmol)와 헥사메틸다이틴(1.48 g, 4.53 mmol)을 각각 첨가하고 진공과 벤팅(venting)과정을 3회 반복하여 초자내부를 질소 분위기로 만들었다. 이를 정제된 톨루엔(12.9 ㎖)과 Pd(PPh3)4(0.052 g, 0.04 mmol)을 넣고 마이크로웨이브(microwave)에서 교반한 후, 160 ℃ 에서 1 시간 동안 교반하여 반응을 종결하였다. 얻어낸 혼합물을 분별깔대기로 다이에틸이써로 추출한 후 증류수로 충분히 씻어준다. 이들 중에서 다이에틸이써 층을 감압회전증발기를 이용하여 용매를 제거하고, 혼합물을 얻어낸 다음 40 ℃하에서 메탄올을 첨가하여 세척하는 과정을 헥사메틸다이틴이 없어질 때까지 반복한 다음, 충분히 건조하여 화합물 17로 표시되는 화합물을 0.83 g, 94% 수율로 얻었다. 이상의 반응 과정은 상기 반응식 5에 나타내었다.(0.81 g, 0.90 mmol) and hexamethyldithine (1.48 g, 4.53 mmol) were added to a 15-ml reaction tube, respectively. Vacuum and venting were repeated three times, It was made into atmosphere. The purified toluene (12.9 ml) and Pd (PPh 3 ) 4 (0.052 g, 0.04 mmol) were added thereto, and the mixture was stirred in a microwave. The mixture was stirred at 160 ° C for 1 hour to complete the reaction. Extract the resulting mixture with diethyl ether using a separatory funnel and wash thoroughly with distilled water. Among them, the diethyl ether layer was washed with a rotary evaporator to remove the solvent, and after the mixture was obtained, washing with methanol was carried out at 40 ° C until the hexamethyldithine disappeared and then dried sufficiently 0.83 g of the compound represented by the Compound 17 was obtained in a yield of 94%. The above reaction process is shown in the
1H NMR (400MHz, CDCl3):δ=8.29(t, 1H), 8.02(d, 1H), 7.72(d, 1H), 7.18(d, 1H), 7.13(s, 1H), 7.11(s, 1H), 6.72(d, 1H), 2.82(t, 2H), 1.70(m, 2H), 1.60~1.17 (m, 24H), 1.03~0.77 (m, 19H), 0.46(s, 9H).
1 H NMR (400MHz, CDCl 3 ): δ = 8.29 (t, 1H), 8.02 (d, 1H), 7.72 (d, 1H), 7.18 (d, 1H), 7.13 (s, 1H), 7.11 (s 2H), 1.70 (m, 2H), 1.60-1.17 (m, 24H), 1.03-0.77 (m, 19H), 0.46 (s, 9H).
3-3) 화학식 18로 표시되는 화합물(4-3-3) The compound represented by the formula (18) (4- 브로모Bromo -5,6--5,6- 디플로로Diplo -7-(5'--7- (5'- 헥실Hexyl -[2,2'-바- [2,2'-bar 이this 티오펜]-5-일)Thiophen-5-yl) 벤조Benzo [c][1,2,5][c] [1, 2, 5] 사이아디졸Thiadiazole ) 합성.) synthesis.
[반응식 6][Reaction Scheme 6]
15 ㎖ 리액션 튜브를 진공상태로 만든 후 3회 이상 플레임 드라잉(flame drying)하여 초자 내부의 수분을 제거하였다. 화합물 19로 표시되는 화합물(0.46 g, 1.26 mmol), 화합물 20으로 표시되는 화합물(0.26 g, 0.64 mmol)을 각각 첨가하고 진공과 벤팅(venting)과정을 3회 반복하여 초자내부를 질소 분위기로 만들었다. 이를 정제된 톨루엔(13 ㎖)과 Pd(PPh3)4(0.037 g, 0.03 mmol)을 넣고 마이크로웨이브(microwave)에서 교반한 후, 160 ℃ 에서 1 시간 동안 교반하여 반응을 종결하였다. 얻어낸 혼합물을 감압 회전기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산과 클로로포름을 이용하여 컬럼크로마토그래피를 실시하여 화합물 18로 표시되는 화합물을 194 mg, 61 % 수율로 얻었다. 이상의 반응 과정은 상기 반응식 6에 나타내었다.The 15 ml reaction tube was vacuumed and flame-dried more than 3 times to remove moisture inside the glass. The compound (0.46 g, 1.26 mmol) represented by Compound 19 and the compound represented by Compound 20 (0.26 g, 0.64 mmol) were added, respectively, and vacuum and venting procedures were repeated three times to make the inside of the bulb nitrogen atmosphere . The purified toluene (13 ml) and Pd (PPh 3 ) 4 (0.037 g, 0.03 mmol) were added thereto, and the mixture was stirred in a microwave, followed by stirring at 160 ° C for 1 hour to terminate the reaction. The solvent was removed from the resulting mixture using a rotary evaporator, and the residue was subjected to column chromatography using hexane and chloroform to obtain 194 mg of a compound represented by the formula (18) in a yield of 61%. The above reaction process is shown in
1H NMR (400MHz, CDCl3):δ=8.17(d, 1H), 7.21 (d, 1H), 7.14 (d, 1H), 6.73(d, 1H), 2.82(t, 2H), 1.74~1.66(m, 2H), 1.41~1.32(m, 6H), 0.88(t, 3H).
1 H NMR (400MHz, CDCl 3 ): δ = 8.17 (d, 1H), 7.21 (d, 1H), 7.14 (d, 1H), 6.73 (d, 1H), 2.82 (t, 2H), 1.74 ~ 1.66 (m, 2H), 1.41-1.32 (m, 6H), 0.88 (t, 3H).
3-4) 화학식 6으로 표시되는 화합물(DTS-3F; 4-(4,4-비스(2-에틸헥실)-6-(5-플로로-7-(5'-헥실-[2,2'-바이티오펜]-5-일)벤조[c][1,2,5]사이아디졸-4-일)-4H-실로로[3,2-b:4,5-b']디티오펜-2-일)-5,6-디플로로-7-(5'-헥실-[2,2'-바이티오펜]-5-일)벤조[c][1,2,5]사이아디졸) 합성.3-4) A compound represented by the formula 6 (DTS-3F; 4- (4,4-bis (2-ethylhexyl) -6- (5-fluoro- 7- (5'- Yl] -4H-silolo [3,2-b: 4,5-b '] dithi [pi] (5'-hexyl- [2,2'-bithiophen] -5-yl) benzo [c] [1,2,5] ≪ / RTI >
[반응식 7][Reaction Scheme 7]
15 ㎖ 리액션 튜브를 진공상태로 만든 후 3회 이상 플레임 드라잉(flame drying)하여 초자 내부의 수분을 제거하였다. 화합물 18로 표시되는 화합물(0.26 g, 0.56 mmol), 화합물 17로 표시되는 화합물(0.53 g, 0.54 mmol)을 각각 첨가하고 진공과 벤팅(venting)과정을 3회 반복하여 초자내부를 질소 분위기로 만들었다. 이를 정제된 톨루엔(7.7 ㎖)과 Pd(PPh3)4(0.031 g, 0.02 mmol)을 넣고 마이크로웨이브(microwave)에서 교반한 후, 160 ℃ 에서 1 시간 동안 교반하여 반응을 종결하였다. 얻어낸 혼합물을 감압 회전기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산과 클로로포름을 이용하여 컬럼크로마토그래피를 실시하여 화학식 6으로 표시되는 화합물(DTS-3F)을 0.461 g, 71% 수율로 얻었다. 이상의 반응 과정은 상기 반응식 7에 나타내었다.The 15 ml reaction tube was vacuumed and flame-dried more than 3 times to remove moisture inside the glass. The compound (0.26 g, 0.56 mmol) represented by Compound 18 and the compound represented by Compound 17 (0.53 g, 0.54 mmol) were added, and the vacuum and venting processes were repeated three times to make the inside of the bulb nitrogen atmosphere . Put it refined toluene (7.7 ㎖) and Pd (PPh 3) 4 (0.031 g, 0.02 mmol) was stirred in a microwave (microwave), the reaction was terminated by stirring for 1 hour at 160 ℃. The resulting mixture was subjected to column chromatography using hexane and chloroform to remove the solvent by using a reduced pressure rotator to obtain 0.461 g of a compound (DTS-3F) represented by the formula (6) in 71% yield. The above reaction process is shown in
1H NMR (400MHz, 60 ℃,C2D2Cl4):δ=8.37(m, 2H), 8.23(d, 1H), 8.06(d, 1H), 7.74(d, 1H), 7.26(d, 1H), 7.22(d, 1H), 7.18(d, 1H), 7.15(d, 1H), 6.78~6.77(m, 2H), 2.88~2.84(m, 4H), 1.79~1.71 (m, 4H), 1.62~1.03(m, 34H), 0.97~0.87(m, 18H).
1 H NMR (400MHz, 60 ℃ , C 2
합성예 4. 화학식 7으로 표시되는 화합물(7,7'-(4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-실로로[3,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일)비스(5,6-디플로로-4-(5'-헥실-[2,2'-바이티오펜]-5-일)벤조[c][1,2,5]사이아디졸)) 합성Synthesis Example 4. Synthesis of Compound (7,7 '- (4,4-bis (2-ethylhexyl) -4H-silolo [3,2-b: 4,5- b'] dithiophene- Benzo [c] [1,2,5] triazolo [4,5-b] thiophene- Thiadiazole)) Synthesis
[반응식 8][Reaction Scheme 8]
15 ㎖ 리액션 튜브를 진공상태로 만든 후 3회 이상 플레임 드라잉(flame drying)하여 초자 내부의 수분을 제거하였다. 화합물 11로 표시되는 화합물(0.18 g, 0.37 mmol), 화합물 18로 표시되는 화합물(0.13 g, 0.18 mmol)을 각각 첨가하고 진공과 벤팅(venting)과정을 3회 반복하여 초자내부를 질소 분위기로 만들었다. 이를 정제된 톨루엔(9 ㎖)과 Pd(PPh3)4(0.024 g, 0.03 mmol)을 넣고 마이크로웨이브(microwave)에서 교반한 후, 160 ℃ 에서 1 시간 동안 교반하여 반응을 종결하였다. 얻어낸 혼합물을 감압 회전기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산과 클로로포름을 이용하여 컬럼크로마토그래피를 실시하여 화학식 7로 표시되는 화합물을 170 mg, 74 % 수율로 얻었다.The 15 ml reaction tube was vacuumed and flame-dried more than 3 times to remove moisture inside the glass. The compound (0.18 g, 0.37 mmol) represented by Compound 11 and the compound (0.13 g, 0.18 mmol) represented by Compound 18 were respectively added and vacuum and venting procedures were repeated three times to make the inside of the chitosan nitrogen atmosphere . Purified toluene (9 ml) and Pd (PPh 3 ) 4 (0.024 g, 0.03 mmol) were added thereto, and the mixture was stirred in a microwave. The mixture was stirred at 160 ° C for 1 hour to complete the reaction. The obtained mixture was subjected to column chromatography using hexane and chloroform to obtain a compound represented by the formula (7) in a yield of 170 mg (74%).
1H NMR (400MHz, CDCl3):δ=8.34(t, 2H), 8.13(d, 2H), 7.15(d, 2H), 7.09(d, 2H), 6.69(d, 2H), 2.79(t, 4H), 1.73~1.65(m, 4H), 1.41~1.07(m, 34H), 0.92~0.88(m, 18H).
1 H NMR (400MHz, CDCl 3 ): δ = 8.34 (t, 2H), 8.13 (d, 2H), 7.15 (d, 2H), 7.09 (d, 2H), 6.69 (d, 2H), 2.79 (t , 4H), 1.73-1.65 (m, 4H), 1.41-1.07 (m, 34H), 0.92-0.88 (m, 18H).
제조예Manufacturing example 1 내지 4. 1-4. 광활성층Photoactive layer 제조를 위한 For manufacturing 블렌딩Blending 용액. solution.
제1 유기 반도체 재료과 제2 유기 반도체 재료 및 풀러렌 화합물을 적정량 혼합하여 용매에 넣어 블렌딩하여 광활성층 제조를 위한 블렌딩 용액을 제조한다.The first organic semiconductor material, the second organic semiconductor material, and the fullerene compound are mixed in an appropriate amount and mixed in a solvent to prepare a blending solution for the production of the photoactive layer.
1) 제1 유기 반도체 재료 준비.1) Preparation of the first organic semiconductor material.
합성예 1 내지 4로부터 제조된 화학식 3 내지 7로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 어느 하나를 사용하였다. Any one selected from the compounds represented by formulas (3) to (7) prepared from Synthesis Examples 1 to 4 was used.
아래부터는 실험상 구분을 위하여 사용한 제1 유기 반도체 재료를 화학식 3, 4, 5, 6, 7로 표기하여 나타내었다.
Hereinafter, the first organic semiconductor materials used for the experimental classification are represented by
2) 제2 유기 반도체 재료 준비.2) Preparation of the second organic semiconductor material.
나노크린테크에서 구매한 로트넘버. YY7010(하기 화학식 8로 표시되는 화합물)을 제2 유기 반도체 재료로 사용하였다.Lot number purchased from NanocleTech. YY7010 (compound represented by the following formula (8)) was used as a second organic semiconductor material.
[화학식 8][Chemical Formula 8]
이때 사용된 제2 유기 반도체 재료의 분자량은 50,000 내지 100,000 g/㏖의 분자량을 사용하여도 특별히 이에 제한되지 않으나, 본 실험에서 변수가 미치는 영향을 명확하게 평가하기 위해, 본 실험에서는 상기 화학식 8의 화합물의 분자량이 93000 g/㏖인 것을 사용하였다.The molecular weight of the second organic semiconductor material used herein is not particularly limited to a molecular weight of 50,000 to 100,000 g / mol, but in order to clearly evaluate the influence of the parameters in the present experiment, The compound having a molecular weight of 93000 g / mol was used.
아래 실험예에서는 별도의 표기가 없는 한, 화학식 8이라 표기된 것은 분자량이 93000 g/㏖인 화학식 8로 표시되는 화합물을 제2 유기 반도체 재료로 사용하였음을 의미한다.
In the following Experimental Examples, unless otherwise indicated, the
3) 3) 블렌딩Blending 용액의 제조 Preparation of solution
상기 제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료, 풀러렌 화합물을 클로로벤젠과 1,8-다이요오도옥테인을 99.6:0.4 비율로 혼합된 혼합용매(1 ㎖)에 첨가하고, 이를 90 ℃에서 1 시간 이상 용해시켜 블렌딩 용액을 제조한다.The first organic semiconductor material, the second organic semiconductor material, and the fullerene compound were added to a mixed solvent (1 ml) mixed with chlorobenzene and 1,8-diiodooxane in a ratio of 99.6: 0.4, Or more to prepare a blending solution.
이때, 상기 제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료, 풀러렌 화합물 및 용매의 종류 및 혼합비는 아래 표 1과 같이 혼합하여 제조한다.At this time, the types and mixing ratios of the first organic semiconductor material, the second organic semiconductor material, the fullerene compound, and the solvent are prepared as shown in Table 1 below.
(DTS(BTTh2)2)
19.4 ㎎(3)
(DTS (BTTh 2 ) 2 )
19.4
0.4 ㎎8
0.4 mg
13.2 ㎎PC 71 BM
13.2
(DTS(FBTTh2)(BTTh2))
19.4 ㎎
(DTS (FBTTh 2 ) (BTTh 2 ))
19.4 mg
(p-DTS(FBTTh2)2)
19.4 ㎎
(p-DTS (FBTTh 2 ) 2 )
19.4 mg
(DTS(DFBTTh2)(FBTTh2))
19.4 ㎎6
(DTS (DFBTTh 2 ) (FBTTh 2 ))
19.4 mg
DTS(DFBTTh2)2
19.4 ㎎
DTS (DFBTTh 2 ) 2
19.4 mg
제조예Manufacturing example 6 내지 8. 6 to 8. 광활성층Photoactive layer 제조를 위한 For manufacturing 블렌딩Blending 용액. solution.
화학식 5로 표시되는 화합물(p-DTS(FBTTh2)2), 화학식 8로 표시되는 화합물(PCDTBT) 및 플로렌계 화합물(PC71BM)를 적정 비율로 혼합하여 용매(클로로벤젠과 1,8-다이요오도옥테인을 99.6:0.4 비율로 혼합된 혼합용매) 1 ㎖에 첨가한 후, 블렌딩하여 p-DTS(FBTTh2)2:PCDTBT:PC71BM 블렌딩 용액을 제조하였다.
이때 화학식 5로 표시되는 저분자 화합물(p-DTS(FBTTh2)2), 화학식 8로 표시되는 화합물(PCDTBT), 플로렌계 화합물(PC71BM) 및 용매의 혼합비는 아래 표 2에 구체적으로 나타내었다.The mixture ratio of the low-molecular compound (p-DTS (FBTTh 2 ) 2 ) represented by
(PC71BM)Fullerene compound
(PC 71 BM)
(p-DTS(FBTTh2)2)
19.6 ㎎
(p-DTS (FBTTh 2 ) 2 )
19.6
(PCDTBT)
0.2 ㎎8
(PCDTBT)
0.2 mg
(p-DTS(FBTTh2)2)19.4 ㎎
(p-DTS (FBTTh 2 ) 2 ) 19.4
(PCDTBT)
0.4 ㎎8
(PCDTBT)
0.4 mg
(p-DTS(FBTTh2)2)
18.81 ㎎
(p-DTS (FBTTh 2 ) 2 )
18.81
(PCDTBT)
0.99 ㎎8
(PCDTBT)
0.99 mg
실시예Example 1 내지 5. 유기태양전지의 제조. 1 to 5. Preparation of Organic Solar Cells.
제조된 유기태양전지의 구조는 다음과 같다.The structure of the produced organic solar cell is as follows.
: ITO/PEIE/광활성층/MoO3/Ag: ITO / PEIE / photoactive layer / MoO 3 / Ag
상술한 구조의 유기태양전지는 하기의 과정을 통해 제조하였다. 우선 유리 기판 상에 하부 전극으로서 ITO 층이 코팅된 기판을 사용하였다. 상기 하부 전극으로 사용될 ITO 층이 코팅된 기판(이하, ITO 하부 전극이라고 한다.)은 아이소프로필 알코올에서 10 분, 아세톤에서 10 분 그리고 아이소프로필 알코올에서 10 분간 순차적으로 세척한 후, 건조한 다음 사용하였다. The organic solar cell having the above-described structure was produced through the following process. First, a substrate coated with an ITO layer as a lower electrode was used on a glass substrate. The substrate coated with the ITO layer to be used as the lower electrode (hereinafter referred to as ITO bottom electrode) was sequentially washed with isopropyl alcohol for 10 minutes, acetone for 10 minutes, and isopropyl alcohol for 10 minutes, followed by drying .
상기 세척하고 건조한 ITO 하부 전극 상에 PEIE 고분자를 2-메톡시에탄올에 0.2 중량% 비율로 희석하여 PEIE 고분자 용액(0.2 중량%)을 제조하고, 이를 6000 rpm, 60 초의 조건으로 스핀코팅법을 사용하여 PEIE 고분자 표면개질층을 코팅하고 100 ℃에서 10분간 건조하여 5 ㎚ 두께의 PEIE 고분자 표면개질층을 형성하였다.The PEIE polymer was diluted with 0.2 wt% of 2-methoxyethanol on the cleaned and dried ITO lower electrode to prepare a PEIE polymer solution (0.2 wt%), which was spin-coated at 6000 rpm for 60 seconds The surface modified PEIE polymer layer was coated and dried at 100 ° C for 10 minutes to form a 5 nm thick PEIE polymer surface modified layer.
상기 PEIE 고분자 표면개질층 상에 제조예 1 내지 5로부터 제조된 각각의 블렌딩 용액 중 어느 하나를 스핀코팅법을 사용하여 80 ㎚의 두께로 코팅하여 광활성층을 형성하였다. 상기 스핀코팅 조건은 3000 rpm에서 60 초동안 수행하였다.Any of the blending solutions prepared in Preparation Examples 1 to 5 was coated on the surface of the polymeric surface modification layer of PEIE to a thickness of 80 nm using a spin coating method to form a photoactive layer. The spin coating conditions were performed at 3000 rpm for 60 seconds.
이어서, 상기 광활성층 상에 마지막으로 상부 전극을 형성하기 위해 MoO3를 4 ㎚ 증착하고, 상기 MoO3 상에 알루미늄 전극을 100 ㎚ 두께로 증착하였다.
Next, MoO 3 was deposited to a thickness of 4 nm to form an upper electrode on the photoactive layer, and an aluminum electrode was deposited to a thickness of 100 nm on the MoO 3 .
실시예 6 내지 8. 유기태양전지의 제조.Examples 6 to 8. Preparation of Organic Solar Cells.
광활성층으로 제조예 1로부터 제조된 블렌딩 용액을 사용하는 대신 제조예 6 내지 8으로부터 제조된 블렌딩 용액을 사용하였다는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 모두 동일하게 제조하였다.The photoactive layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that the blending solution prepared in Preparation Examples 6 to 8 was used instead of the blending solution prepared in Production Example 1. [
이때, 실시예 6은 제조예 1로부터 제조된 블렌딩 용액 대신, 제조예 6으로부터 제조된 블렌딩 용액을 사용하여 광활성층을 형성한 것이고, 실시예 7은 제조예 1로부터 제조된 블렌딩 용액 대신, 제조예 7로부터 제조된 블렌딩 용액을 사용하여 광활성층을 형성한 것이며, 실시예 8은 제조예 1로부터 제조된 블렌딩 용액 대신, 제조예 8로부터 제조된 블렌딩 용액을 사용하여 광활성층을 형성한 것이다.
In Example 6, instead of the blending solution prepared in Production Example 1, a photoactive layer was formed using the blending solution prepared in Production Example 6. In Example 7, instead of the blending solution prepared in Production Example 1, The photoactive layer was formed by using the blending solution prepared in Production Example 8 instead of the blending solution prepared in Production Example 1. In Example 8, the photoactive layer was formed using the blending solution prepared in Production Example 8 instead of the blending solution prepared in Production Example 1. [
실시예Example 9. 유기태양전지의 제조. 9. Manufacture of organic solar cells.
65 ℃, 85 % 상대습도(RH) 조건 하에서 유기태양전지를 제조하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 모두 동일하게 실시예 9를 제조하였다.
Example 9 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the organic solar cell was manufactured under the conditions of 65 ° C and 85% relative humidity (RH).
비교예Comparative Example 1 내지 5. 유기태양전지의 제조.( 1 to 5. Preparation of Organic Solar Cells. PCDTBTPCDTBT 를 혼합하지 않은 것)Not mixed)
실시예 1 내지 5의 유기태양전지를 제조하는 과정 중, 광활성층을 형성함에 있어서 PCDTBT를 혼합하지 않은 저분자 화합물(화학식 3-7) 19.8 ㎎과 PC71BM 13.2 ㎎만을 용매(클로로벤젠:1,8다이요오도옥테인 99.6:0.4) 1 ㎖에 첨가하여 제조한 저분자 화합물(화학식 3-7):PC71BM 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 5와 모두 동일하게 유기태양전지를 제조하였다.During the production of the organic solar cell of Examples 1 to 5, only 19.8 mg of the low-molecular compound (Formula 3-7) and 13.2 mg of PC 71 BM without mixing PCDTBT in the photoactive layer were dissolved in a solvent (chlorobenzene: 1, Except that a low molecular weight compound (Formula 3-7): PC 71 BM solution prepared by adding the compound of
구체적으로 비교예 1은 화학식 3으로 표시되는 저분자 화합물을 사용한 것이고, 비교예 2는 화학식 4로 표시되는 저분자 화합물을 사용한 것이며, 비교예 3은 화학식 5로 표시되는 저분자 화합물을 사용한 것이며, 비교예 4는 화학식 6으로 표시되는 저분자 화합물을 사용한 것이며, 비교예 5는 화학식 7로 표시되는 저분자 화합물을 사용한 것이다.
Specifically, Comparative Example 1 uses the low molecular weight compound represented by
비교예Comparative Example 6 내지 20. 유기태양전지의 제조(용매 종류, 혼합비 등 제어) 6 to 20. Preparation of organic solar cell (control of solvent type, mixing ratio, etc.)
제조된 유기태양전지의 구조는 다음과 같다.The structure of the produced organic solar cell is as follows.
: ITO/PEIE/광활성층/MoO3/Ag: ITO / PEIE / photoactive layer / MoO 3 / Ag
상술한 구조의 유기태양전지는 하기의 과정을 통해 제조하였다. 우선 유리 기판 상에 하부 전극으로서 ITO 층이 코팅된 기판을 사용하였다. 상기 하부 전극으로 사용될 ITO 층이 코팅된 기판(이하, ITO 하부 전극이라고 한다.)은 아이소프로필 알코올에서 10 분, 아세톤에서 10 분 그리고 아이소프로필 알코올에서 10 분간 순차적으로 세척한 후, 건조한 다음 사용하였다.The organic solar cell having the above-described structure was produced through the following process. First, a substrate coated with an ITO layer as a lower electrode was used on a glass substrate. The substrate coated with the ITO layer to be used as the lower electrode (hereinafter referred to as ITO bottom electrode) was sequentially washed with isopropyl alcohol for 10 minutes, acetone for 10 minutes, and isopropyl alcohol for 10 minutes, followed by drying .
상기 세척하고 건조한 ITO 하부 전극 상에 PEIE 고분자를 2-메톡시에탄올에 0.2 중량% 비율로 희석하여 PEIE 고분자 용액(0.2 중량%)을 제조하고, 이를 2500 rpm, 10 초의 조건으로 스핀코팅법을 사용하여 PEIE 고분자 표면개질층을 코팅하고 100 ℃에서 10분간 건조하여 5 ㎚ 두께의 PEIE 고분자 표면개질층을 형성하였다.The PEIE polymer was diluted with 0.2 wt% of 2-methoxyethanol on the cleaned and dried ITO lower electrode to prepare a PEIE polymer solution (0.2 wt%), which was spin-coated at 2500 rpm for 10 seconds The surface modified PEIE polymer layer was coated and dried at 100 ° C for 10 minutes to form a 5 nm thick PEIE polymer surface modified layer.
상기 PEIE 고분자 표면개질층 상에 아래 표 3에 기재된 성분과 비율로 제조된 각각의 블렌딩 용액 중 어느 하나를 스핀코팅법을 사용하여 80 ㎚의 두께로 코팅하여 광활성층을 형성하였다. 상기 스핀코팅 조건은 1000 rpm에서 60 초동안 수행하였다.Each of the blending solutions prepared in the ratio shown in Table 3 below was coated on the PEIE polymer surface modification layer to a thickness of 80 nm by spin coating to form a photoactive layer. The spin coating conditions were carried out at 1000 rpm for 60 seconds.
이어서, 상기 광활성층 상에 마지막으로 상부 전극을 형성하기 위해 MoO3를 4 ㎚ 증착하고, 상기 MoO3 상에 알루미늄 전극을 100 ㎚ 두께로 증착하였다.Next, MoO 3 was deposited to a thickness of 4 nm to form an upper electrode on the photoactive layer, and an aluminum electrode was deposited to a thickness of 100 nm on the MoO 3 .
화학식 5
(p-DTS(FBTTh2)2)The first organic semiconductor material
(p-DTS (FBTTh 2 ) 2 )
PC61BMFullerene compound
PC 61 BM
PCDTBT
0 ㎎8
PCDTBT
0 mg
PCDTBT
5 ㎎ 8
PCDTBT
5 mg
PCDTBT
10 ㎎8
PCDTBT
10 mg
PCDTBT
15 ㎎8
PCDTBT
15 mg
PCDTBT
20 ㎎ 8
PCDTBT
20 mg
PCDTBT
0 ㎎8
PCDTBT
0
PCDTBT
5 ㎎ 8
PCDTBT
5 mg
PCDTBT
10 ㎎8
PCDTBT
10 mg
PCDTBT
15 ㎎8
PCDTBT
15 mg
PCDTBT
20 ㎎ 8
PCDTBT
20 mg
실험예Experimental Example 1. 혼합 중량에 따른 유기태양전지의 성능 비교. 1. Comparison of performance of organic solar cell by mixing weight.
제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료의 종류에 따른 유기태양전지의 성능을 확인하기 위하여 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지의 특성을 측정하여 비교하였다.In order to confirm the performance of the organic solar cell according to the types of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material, the characteristics of the organic solar cells prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 were measured and compared.
구체적으로 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 실시예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 도 3에 도시하였고, 비교예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 도 5에 도시하였다.3 shows the JV characteristics of the organic solar cells prepared in Examples 1 to 5 when irradiated with light having a specific energy of 100 mW / cm < 2 >, and the organic solar cells prepared in Comparative Examples 1 to 5 The JV characteristic for the battery is shown in Fig.
도 4는 실시예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지의 외부양자효율(external quantum efficiencies, EQE)(%)를 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 6은 비교예 1 내지 5로부터 제조된 유기태양전지의 외부양자효율(external quantum efficiencies, EQE)(%)를 측정하여 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the external quantum efficiencies (EQE) (%) of the organic solar cells prepared in Examples 1 to 5, and FIG. 6 is a graph showing the external quantum efficiencies And external quantum efficiencies (EQE) (%).
도 3 내지 6으로부터 측정된 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5의 유기태양전지에 대한 각각의 파라미터는 아래 표 4에 요약하였다.The respective parameters for the organic solar cells of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 measured from Figures 3 to 6 are summarized in Table 4 below.
(V) V oc
(V)
(㎃/㎠) J sc
(MA / cm2)
(㎃/㎠)J sc , EQE
(MA / cm2)
(%)PCE
(%)
도 3 내지 6 및 표 4를 참조하면, 실시예 1 내지 5의 유기태양전지는 평균적으로 0.7 내지 0.86 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 4.21 내지 15.37 ㎃/㎠의 JSC, 5.01 내지 66.36의 충전율(fill factor), 1.28 내지 8.13%의 PCE(%)를 나타내었다. 이들 중에서도 특히 최적화된 실시예 3의 유기태양전지는 15.37 ㎃/㎠의 JSC, 0.80 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 66.36의 충전율(fill factor), 8.13%의 PCE를 나타내었다.Referring to FIGS. 3 to 6 and Table 4, the organic solar cells of Examples 1 to 5 have an open circuit voltage (V OC ) of 0.7 to 0.86 V on average, a J SC of 4.21 to 15.37 mA / A fill factor of 5.01 to 66.36, and a PCE (%) of 1.28 to 8.13%. In particular, the optimized organic solar cell of Example 3 exhibited a J SC of 15.37 mA /
이에 반해, 고분자 화합물 화학식 8의 PCDTBT가 없는 광활성층을 갖는 비교예 1 내지 5의 유기태양전지는 평균적으로 0.70 내지 0.87 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 4.0 내지 14.63 ㎃/㎠의 JSC, 34.32 내지 68.75의 충전율(fill factor), 1.06 내지 6.68%의 PCE를 나타내었다.On the other hand, the organic solar cells of Comparative Examples 1 to 5 having the photoactive layer without the
이들 중에서도 실시예 3의 유기태양전지의 대조군인 비교예 3은 0.79 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 14.63 ㎃/㎠의 JSC, 59.64의 충전율(fill factor), 6.68%의 PCE를 나타내는 것으로 확인되었다.Among them, Comparative Example 3, which is a control group of the organic solar cell of Example 3, has an open circuit voltage (V OC ) of 0.79 V, a J SC of 14.63 mA /
즉 실시예와 비교예를 비교하면 화학식 8의 고분자 화합물(PCDTBT)가 존재함에 의해서 PCE(%)가 최소 0.1% 부터 1.0%까지 증가한 것을 확인할 수 있었다. 본 발명의 실험에 사용된 유기태양전지는 이미 최대의 효율을 달성하도록 제조된 것이기 때문에 7%의 높은 효율을 가지고 있었다. 허나 본 발명에서 제공하는 바와 같이 광활성층에 제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료 및 풀러렌 화합물을 혼합함에 의해서 1% 이상의 현저한 효과를 달성하고 있음을 확인하였다. 이러한 최적화된 유기태양전지에서 0.1% 정도의 효율 상승을 이루었다는 것은 당 분야에서 유의한 의미를 갖는다.
That is, when the polymer compound (PCDTBT) of the formula (8) was present, PCE (%) increased from 0.1% to 1.0% at least. The organic solar cell used in the experiment of the present invention had a high efficiency of 7% since it was already manufactured to achieve the maximum efficiency. However, it was confirmed that by mixing the first organic semiconductor material, the second organic semiconductor material and the fullerene compound in the photoactive layer as provided in the present invention, a remarkable effect of 1% or more was attained. The efficiency increase of about 0.1% in such an optimized organic solar cell is meaningful in the art.
실험예Experimental Example 2. 유기태양전지의 특성 비교(2) 2. Comparison of characteristics of organic solar cell (2)
제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료의 혼합 비율에 따른 유기태양전지의 성능을 확인하기 위하여 실시예 6 내지 8 및 비교예 3의 유기태양전지의 특성을 특정하여 비교하였다.The characteristics of the organic solar cells of Examples 6 to 8 and Comparative Example 3 were compared and compared in order to confirm the performance of the organic solar cell according to the mixing ratio of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material.
구체적으로 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 실시예 6 내지 8 및 비교예 3으로부터 제조된 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 도 7에 도시하였다.The J-V characteristics of the organic solar cells prepared in Examples 6 to 8 and Comparative Example 3 when irradiating with light having a specific energy of 100 mW /
도 7로부터 측정된 실시예 6 내지 8 및 비교예 3의 유기태양전지에 대한 각각의 파라미터는 아래 표 5에 요약하였다.The respective parameters for the organic solar cells of Examples 6 to 8 and Comparative Example 3 measured from Fig. 7 are summarized in Table 5 below.
(V) V oc
(V)
(mA/cm2) J sc
(mA / cm 2 )
(%)FF
(%)
(%)PCE max
(%)
표 5 및 도 7을 참조하면, 제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 1 : 0.02인 광활성층을 갖는 실시예 7의 유기태양전지는 15.37 ㎃/㎠의 JSC, 0.80 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 66.36의 충전율(fill factor), 8.13%의 PCE를 나타내었다.Referring to Table 5 and FIG. 7, the organic solar cell of Example 7 having the photoactive layer with the mixed weight ratio of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material of 1: 0.02 had J SC of 15.37 mA /
이에 반해, 화학식 8의 고분자 화합물인 PCDTBT가 없는 광활성층을 갖는 비교예 3의 유기태양전지는 14.63 ㎃/㎠의 JSC, 0.79 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 59.64의 충전율(fill factor), 6.68%의 PCE를 나타내었다.On the contrary, the organic solar cell of Comparative Example 3 having a photoactive layer without the PCDTBT, which is a polymer compound of
또한, 제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료(화학식 8의 PCDTBT)의 혼합 중량비가 1 : 0.05 이상인, 제2 유기 반도체 재료인 화학식 8의 고분자 화합물이 과량 첨가된 광활성층을 갖는 실시예 8의 유가태양전지는 10.08 ㎃/㎠의 JSC, 0.70 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 46.38의 충전율(fill factor), 3.29%의 PCE를 나타내었다.Further, in Example 8 (having a photoactive layer in which a polymer compound of
상술한 결과를 종합하면 본 발명에 따른 유기태양전지는 광활성층에 있어서, 제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 1 : 0.01부터 1 : 0.02으로 점차 증가함에 따라 JSC, FF, PCE의 증가를 보였으나, 1 : 0.05 이상에서는 효율이 3%까지 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.In summary, the organic solar cell according to the present invention is characterized in that in the photoactive layer, the mixed weight ratio of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material gradually increases from 1: 0.01 to 1: 0.02, PCE was increased, but it was confirmed that the efficiency was significantly lowered to 3% at a ratio of 1: 0.05 or more.
이를 통해 본 발명에 따른 유기태양전지에 있어서, 제1 유기 반도체 재료와 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 1:0.01-0.04일 때, 최고 우수한 효율을 달서할 수 있음을 알 수 있고, 특히 제1 유기 반도체 재료로 화학식 5로 표시되는 저분자 화합물(p-DTS(FBTTh2)2)이 사용될 경우에는 7% 이상, 최대 8.13%의 우수한 효율을 달성할 수 있음을 알 수 있다.As a result, it can be seen that, in the organic solar cell according to the present invention, when the mixing weight ratio of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material is 1: 0.01-0.04, the highest efficiency can be obtained, 1 (p-DTS (FBTTh 2 ) 2 ) represented by the formula (5) is used as the organic semiconductor material, excellent efficiency of 7% or more and maximum 8.13% can be achieved.
반면, 광활성층에 있어서, 제1 유기 반도체 재료와 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 1:0.05 이상일 경우에는 약 2.5 배 이상의 큰 폭으로 효율이 저하되는 문제가 발생한다는 것을 확인한 바, 상술한 혼합 중량비 범위에서 제1 유기 반도체 재료와 제2 유기 반도체 재료가 혼합되는 것이 바람직하다.
On the other hand, when the mixing ratio of the first organic semiconductor material to the second organic semiconductor material in the photoactive layer is 1: 0.05 or more, the efficiency is reduced by about 2.5 times or more. As a result, It is preferable that the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material are mixed in the weight ratio range.
실험예Experimental Example 3. 유기태양전지의 특성 비교(3)- 3. Comparison of characteristics of organic solar cell (3) - 모폴로지Morphology
제2 유기 반도체 재료의 유무에 따른 유기태양전지의 광활성층의 모폴로지를 비교하기 위하여, 실시예 3 및 비교예 3에 따라 제조된 광활성층을 TEM(Transmission Electron Microscope)과 EFTEM(energy-filtering transmission electron microscopy)으로 촬영하여 나타내었다.In order to compare the morphology of the photoactive layer of the organic solar cell according to the presence or absence of the second organic semiconductor material, the photoactive layer prepared according to Example 3 and Comparative Example 3 was subjected to TEM (transmission electron microscope) and energy-filtering transmission electron microscopy.
즉, 도 8은 실시예 3(a) 및 비교예 3(b)에 따라 제조된 광활성층의 TEM(Transmission Electron Microscope)이고, 도 9는 실시예 3(a) 및 비교예 3(b)에 따라 제조된 광활성층의 EFTEM(energy-filtering transmission electron microscopy)이다.8 is a TEM (Transmission Electron Microscope) of a photoactive layer prepared according to Example 3 (a) and Comparative Example 3 (b) And energy-filtering transmission electron microscopy (EFTEM) of the photoactive layer thus fabricated.
도 8을 참조하면 실시예 3에 따라 제조된 광활성층이 비교예 3에 따라 제조된 광활성층에 비해 보다 더 균일하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the photoactive layer prepared according to Example 3 is formed more uniformly than the photoactive layer prepared according to Comparative Example 3.
아울러, 도 9에서 녹색 부분은 Si 원자를 나타내고 적색 부분은 C 원자를 나타내는데, Si 원자는 제1 유기 반도체 재료인 저분자 화합물로 사용된 p-DTS(FBTTh2)2일 것이 예상되며, C 원자는 광활성층을 구성하는 제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료, 풀러렌 화합물 등에 모두 포함되는 것으로 어느 하나의 물질을 나타낸다고 예상할 수 없다. 따라서, 이러한 내용으로 비추어 볼 때 실시예 3에 따라 제조된 광활성층은 제2 유기 반도체 재료로 고분자 화합물이 첨가됨에 의해 비교예 3에 따라 제조된 광활성층보다 저분자 화합물의 뭉침이 풀어져 녹색 부분이 고르게 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
In Figure 9, the green portion represents the Si atom and the red portion represents the C atom, where the Si atom is expected to be p-DTS (FBTTh 2 ) 2 used as a low molecular compound, which is the first organic semiconductor material, and the C atom The second organic semiconductor material, the fullerene compound, and the like constituting the photoactive layer can not be expected to represent any one substance. Accordingly, the photoactive layer prepared according to Example 3 has a higher molecular weight than the photoactive layer prepared according to Comparative Example 3 by adding the polymer compound as the second organic semiconductor material, so that the green portion is evenly dispersed .
실험예Experimental Example 4. 유기태양전지의 특성 비교(3)- 4. Comparison of characteristics of organic solar cell (3) - 모폴로지Morphology
제2 유기 반도체 재료의 유무에 따른 유기태양전지의 광활성층의 모폴로지를 비교하기 위하여, 실시예 3 및 비교예 3에 따라 제조된 광활성층을 AFM(Atomic Force Microscope)으로 촬영하여 나타내었다.In order to compare the morphology of the photoactive layer of the organic solar cell according to the presence or absence of the second organic semiconductor material, the photoactive layer prepared according to Example 3 and Comparative Example 3 was photographed with AFM (Atomic Force Microscope).
도 10은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 광활성층의 표면 모폴로지를 AFM을 통해 관찰한 이미지이고(Rq=0.75 ㎚), 도 11은 본 발명의 비교예 3에 따라 제조된 광활성층을 AFM을 통해 관찰한 이미지이다(Rq=1.36 ㎚)FIG. 10 is an image (Rq = 0.75 nm) obtained by observing the surface morphology of the photoactive layer according to Example 3 of the present invention through AFM, FIG. 11 is a graph showing the result of comparing the photoactive layer prepared according to Comparative Example 3 of the present invention with AFM (R q = 1.36 nm)
도 10 및 도 11을 참조하면 실시에 3에 따라 제조된 광활성층의 표면 모폴로지가 비교예 3에 따라 제조된 광활성층의 표면 모폴로지에 비해 더 날렵(sharp)하게 형성되었음을 확인 할 수 있다. 이는 실시예 3에 따라 제조된 광활성층에 화학식 8의 고분자 화합물(PCDTBT)이 제2 유기 반도체 재료로 첨가함으로써 제1 유기 반도체 재료(p-DTS(FBTTh2)2)의 응집을 풀거나, 응집 현상을 억제 및 방지되어 광활성층의 모폴로지를 개선하고 있다고 여겨진다.
10 and 11, it can be seen that the surface morphology of the photoactive layer produced according to
실험예Experimental Example 5. 유기태양전지의 특성 비교(5) 5. Comparison of characteristics of organic solar cell (5)
옹매에 따른 유기태양전지의 성능을 확인하기 위하여 비교예 6 내지 20의 유기태양전지의 유기태양전지의 특성을 측정하여 비교하였다.The characteristics of the organic solar cells of the organic solar cells of Comparative Examples 6 to 20 were measured and compared in order to confirm the performance of the organic solar cells according to the grains.
도 12는 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 비교예 6 내지 10으로부터 제조된 유기태양전지의 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 13은 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 비교예 11 내지 15로부터 제조된 유기태양전지의 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 측정하여 나타낸 그래프이며, 도 14는 100 ㎽/㎠ 에너지의 빛으로 조사(irradiation)를 할 경우, 비교예 16 내지 20로부터 제조된 유기태양전지의 유기태양전지에 대한 J-V 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.FIG. 12 is a graph showing JV characteristics of an organic solar cell manufactured from Comparative Examples 6 to 10 when irradiated with light of 100 mW /
(V) V oc
(V)
(㎃/㎠) J sc
(MA / cm2)
(%)PCE max
(%)
도 12-14 및 표 6을 참조하면 비교예 6 내지 10으로부터 제조된 유기태양전지와 본 발명에 따른(대표적으로 실시예 3)의 유기태양전지는 광활성층을 구성하는 제2 유기 반도체 재료, 용매, 제1 유기 반도체 재료의 혼합 중량비에 차이가 있다.Referring to Figs. 12-14 and Table 6, the organic solar cell prepared in Comparative Examples 6 to 10 and the organic solar cell according to the present invention (typically, Example 3) can be used as a second organic semiconductor material constituting the photoactive layer, , And the first organic semiconductor material.
비교예 6 내지 10으로부터 제조된 유기태양전지는 제1 유기 반도체 재료와 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 1:0.3-3인 것이다.In the organic solar cell prepared in Comparative Examples 6 to 10, the mixing weight ratio of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material is 1: 0.3-3.
이러한 차이로 인해 비교예 6 내지 10으로부터 제조된 유기태양전지는 1.62-3.22 ㎃/㎠의 JSC, 0.67-0.72 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 30.38-37.01의 충전율(fill factor), 1% 이하의 PCE를 나타내었다.Due to these differences, the organic solar cells prepared in Comparative Examples 6 to 10 exhibited a J SC of 1.62-3.22 mA /
이는 본 발명의 실시예 3의 유기태양전지에 비해 전체적으로 현저히 저하된 것이며, JSC는 5배, 충전율(FF)은 2배, PCE는 11 배 이상 저하된 것을 알 수 있다. It can be seen that the organic solar cell of the present invention is significantly lowered in comparison with the organic solar cell of the present invention, the J SC is 5 times, the filling rate (FF) is 2 times, and PCE is 11 times or more lower.
비교예 11 내지 15로부터 제조된 유기태양전지는 본 발명의 실시예 3에 따른 유기태양전지와 광활성층을 구성하는 제1 유기 반도체 재료와 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비(1:0.3-3)와 용매의 종류에 차이가 있다.The organic solar cell prepared in Comparative Examples 11 to 15 had a mixed weight ratio (1: 0.3-3) of the organic semiconductor material according to Example 3 of the present invention and the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material constituting the photoactive layer, And the type of solvent.
이러한 차이로 인해 비교예 11 내지 15로부터 제조된 유기태양전지는 1.46-7.32 ㎃/㎠의 JSC, 0.57-0.91 V의 개방회로전압(open circuit voltage, VOC), 30-44의 충전율(fill factor), 0.78-2%의 PCE를 나타내었다.Due to these differences, the organic solar cells prepared from Comparative Examples 11 to 15 exhibited a J SC of 1.46-7.32 mA /
비교예 6 내지 10의 유기태양전지에 비해서는 소폭 성능이 향상되었다고는 하나, 본 발명에 따른 유기태양전지에 비해서는 여전히 현저히 저하된 수치이다. 특히, PCE는 최소 4 배, 최대 11 배 이상 저하된 것을 알 수 있다.The performance was slightly improved as compared with the organic solar cells of Comparative Examples 6 to 10, but it was still significantly lower than that of the organic solar cell according to the present invention. In particular, it can be seen that the PCE has decreased by at least 4 times and up to 11 times.
비교예 16 내지 20으로부터 제조된 유기태양전지는 본 발명의 실시예 3으로부터 제조된 유기태양전지와 제1 유기 반도체 재료와 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비(1:0.3-3)만 다른 것으로, 제2 유기 반도체 재료를 첨가하지 않은 비교예 16의 유기태양전지가 4% PCE로 가장 우수하게 측정되었다.The organic solar cells prepared in Comparative Examples 16 to 20 differ only in the mixing weight ratio (1: 0.3-3) of the organic solar cell prepared in Example 3 of the present invention, the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material, The organic solar cell of Comparative Example 16, to which the second organic semiconductor material was not added, was best measured with 4% PCE.
이를 통해 본 발명에 따른 유기태양전지에 있어서, 제1 유기 반도체 재료와 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비가 1:0.01-0.04일 때, 8% 가량의 우수한 효율을 달성할 수 있을 뿐, 동일한 제2 유기 반도체 재료(고분자 화합물)이라도 중량비가 조금만 높아지게 되면 현저히 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있다.Accordingly, in the organic solar cell according to the present invention, when the mixing weight ratio of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material is 1: 0.01-0.04, excellent efficiency of about 8% can be achieved, 2 Organic semiconductor material (polymer compound) shows a remarkable decrease in performance when the weight ratio is slightly increased.
아울러, 본 발명에 따른 유기태양전지는 광활성층의 제1 유기 반도체 재료와 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비 뿐만 아니라 용매의 종류에 의해서 성능의 저하가 발생함을 알 수 있다.In addition, the organic solar cell according to the present invention has a deteriorated performance depending on the kind of the solvent as well as the mixing weight ratio of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor material in the photoactive layer.
구체적으로 본 발명의 실시예 3과 동일한 용매를 사용한 비교예 16 내지 20의 유기태양전지의 경우 성능이 4%로 소폭상승하였으나 본 발명과 용매를 달리한 비교예 6 내지 15의 유기태양전지는 1-2% 미만으로 현저히 낮은 효율을 달성하고 있음을 알 수 있다.
Specifically, the performance of the organic solar cell of Comparative Examples 16 to 20 using the same solvent as in Example 3 of the present invention was slightly increased to 4%. However, the organic solar cells of Comparative Examples 6 to 15, And the efficiency is remarkably lower than -2%.
실험예 6. 열적 안정성 분석Experimental Example 6: Thermal Stability Analysis
110 ℃ 고온에서 본 발명에 따른 유기태양전지의 성능을 확인하기 위하여, 실시예 3의 유기태양전지와 비교예 3의 유기태양전지의 특성을 측정하여 비교하였다.In order to confirm the performance of the organic solar cell according to the present invention at a high temperature of 110 ° C, the characteristics of the organic solar cell of Example 3 and Comparative Example 3 were measured and compared.
구체적으로 본 실험은, 실시예 3의 유기태양전지와 비교예 3의 유기태양전지를 각각 110 ℃로 가열된 오븐에 넣은 후, 20 분, 40분, 60분, 80분, 100분, 120분마다 실시예 3과 비교예 3 유기태양전지를 꺼내어 광전변환효율(PCE), 충전률(FF, fill factor), JSC를 측정하였다. 110 ℃의 고온 조건하에서 각 시간마다 측정된 실시예 3과 비교예 3의 유기태양전지의 특성(광전변환효율(PCE), 충전률(FF, fill factor), JSC )를 도 15, 16, 17에 나타내었다.Specifically, in this experiment, the organic solar cell of Example 3 and the organic solar cell of Comparative Example 3 were placed in an oven heated to 110 ° C, respectively, and then exposed for 20 minutes, 40 minutes, 60 minutes, 80 minutes, Example 3 and Comparative Example 3 An organic solar cell was taken out, and photoelectric conversion efficiency (PCE), fill factor (FF) and J SC were measured. The characteristics (the photoelectric conversion efficiency (PCE), the fill factor (FF), and J SC ) of the organic solar cells of Example 3 and Comparative Example 3 measured at high temperature of 110 ° C for each hour are shown in FIGS. Respectively.
도 15는 110 ℃의 고온 조건하에서 각 시간마다 측정된 실시예 3과 비교예 3의 유기태양전지의 광전변환효율(PCE) 변화를 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 16은 110 ℃의 고온 조건하에서 각 시간마다 측정된 실시예 3와 비교예 3의 유기태양전지의 충전률(FF, fill factor) 변화를 측정하여 나타낸 그래프이며, 도 17은 110 ℃의 고온 조건하에서 각 시간마다 측정된 실시예 3과 비교예 3의 유기태양전지의 JSC 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.FIG. 15 is a graph showing changes in photoelectric conversion efficiency (PCE) of the organic solar cells of Example 3 and Comparative Example 3 measured at high temperature of 110 ° C for each hour. FIG. FIG. 17 is a graph showing changes in fill factor (FF) of the organic solar cells of Example 3 and Comparative Example 3 measured for each hour. And the J SC change of the organic solar cell of Comparative Example 3 is measured.
도 15, 16, 17에 나타난 바와 같이, 실시예 3의 유기태양전지는 20 분까지 PCE, 충전률(FF, fill factor), JSC를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있고, 이후부터 조금씩 성능이 저하되는데, 40-120분까지는 최대 PCE가 40% 감소하고, 충전률(FF, fill factor)은 10% 감소하였으며, JSC는 20-30%만 감소하였다.As shown in FIGS. 15, 16 and 17, it can be confirmed that the organic solar cell of Example 3 maintains PCE, fill factor (FF), and J SC up to 20 minutes, The maximum PCE decreased by 40%, the fill factor decreased by 10%, and the J SC decreased by 20-30% until 40-120 minutes.
이에 반해 본 발명과 달리 제2 유기반도체 재료를 포함하지 않을 경우(본 발명과 동일한 용매를 사용하여 광활성층 제작), 비교예 3의 유기태양전지는 고온에 노출되기 시작한 시점부터 성능이 현저히 저하되기 시작하여, 20 분일 때 이미 PCE가 10% 저하되었고, 충전률(FF, fill factor)은 10-20% 저하되었으며, JSC 역시 10% 가량 낮아진 것을 확인할 수 있다. 아울러, 40-120분까지는 급격히 성능이 더 저하되어, 초기 성능에 비해 절반으로 수치들이 뚝 떨어진 것을 알 수 있다.On the other hand, unlike the present invention, when the second organic semiconductor material is not included (the photoactive layer is formed using the same solvent as in the present invention), the performance of the organic solar cell of Comparative Example 3 is significantly lowered At 20 minutes, PCE decreased by 10%, FF (fill factor) decreased by 10-20%, and J SC decreased by 10%. In addition, the performance is drastically deteriorated until 40-120 minutes, and it is seen that the numerical value is reduced by half compared to the initial performance.
120 분동안 110 ℃의 고온에 노출된 후의 성능을 비교하자면 비교예 3의 유기태양전지는 실시예 3의 유기태양전지의 PCE 보다 3배 이상 낮은 0.2까지 낮아졌고, 충전률(FF)은 1.3 배 이상 낮은 0.6까지 저하되었으며, JSC는 2 배이상 낮은 0.4까지 저하되었음을 확인하였다.Comparing the performance after exposure to a high temperature of 110 ° C for 120 minutes, the organic solar cell of Comparative Example 3 was lowered to 0.2, which was three times lower than that of the organic solar cell of Example 3, and the charging rate (FF) was 1.3 times , And J SC decreased to 0.4, which is more than 2 times.
이를 통해 본 발명에 따른 유기태양전지에서 광활성층에 제2 유기반도체 재료가 포함되지 않을 경우에는 동일한 용매를 사용하였다 하더라도 고온에 노출되는 환경에서 수명특성이 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 유기태양전지는 100 내지 200 ℃의 고온 환경에서 40 내지 150 분동안 노출하였을 때, 초기 성능 대비 PCE, FF, JSC를 80 내지 60% 까지 유지할 수 있다는 장점을 갖는다.Accordingly, when the second organic semiconductor material is not included in the photoactive layer in the organic solar cell according to the present invention, it can be confirmed that the lifetime characteristics are significantly lowered in an environment exposed to high temperatures even though the same solvent is used. Specifically, the organic solar cell according to the present invention has an advantage that PCE, FF, and J SC can be maintained at 80 to 60% of the initial performance when exposed to a high temperature environment of 100 to 200 ° C for 40 to 150 minutes.
반면 제2 유기반도체 재료가 포함되지 않을 경우 동일한 조건에서 동일한 시간동안 노출하였을 때, 초기 성능 대비 PCE, FF, JSC를 60% 이하 최대 20% 까지 성능이 유지되지 못하고 저하되었으며, 이는 본 발명에 다른 유기태양전지에 비해 1.3 배, 최대 3 배 이상 낮은 성능이다.
On the other hand, when the second organic semiconductor material is not included, the performance of PCE, FF, and J SC is lowered to 60% or less and 20% 1.3 times higher than other organic solar cells, and up to 3 times lower.
실험예Experimental Example 7. 장기 안정성 분석 7. Long term stability analysis
본 발명에 따른 유기태양전지의 장지간 성능을 안정적으로 유지하는지를 확인하기 위하여 실시예 9로부터 제조된 유기태양전지의 시간에 따른 성능 변화를 측정하였다.In order to confirm that the long-term performance of the organic solar cell according to the present invention is stably maintained, the performance change of the organic solar cell manufactured in Example 9 with time was measured.
구체적으로 본 실험은, 실시예 9의 유기태양전지를 65 ℃, 85 % 상대 습도(RH) 조건 하에서, 0 시간부터 1000 시간 동안 광전변환효율(PCE), 충전률(FF, fill factor), JSC , VOC의 변화를 측정하였다.Specifically, in this experiment, the organic solar cell of Example 9 was subjected to photoelectric conversion efficiency (PCE), charge factor (FF), fill factor (J) for 0 hours to 1000 hours under the conditions of 65 ° C. and 85% relative humidity SC , and V OC were measured.
65 ℃, 85 % 상대 습도(RH) 조건 하에서, 각 시간마다 측정된 실시예 9의 유기태양전지의 특성(광전변환효율(PCE), 충전률(FF, fill factor), JSC, VOC)를 도 18에 나타내었다.(Photoelectric conversion efficiency (PCE), fill factor (FF), J SC , and V OC ) of the organic solar cell of Example 9 measured under the conditions of 65 ° C. and 85% relative humidity (RH) Is shown in Fig.
도 18은 65 ℃, 85 % 상대 습도(RH) 조건 하에서, 각 시간마다 측정된 실시예 9의 유기태양전지의 특성(광전변환효율(PCE), 충전률(FF, fill factor), JSC, VOC)을 측정하여 나타낸 그래프이다.18 shows the characteristics (the photoelectric conversion efficiency (PCE), the fill factor (FF), the J SC , and the photoelectric conversion efficiency) of the organic solar cell of Example 9 measured at each time under the conditions of 65 ° C and 85% relative humidity V OC ).
도 18에 나타난 바와 같이 실시예 9로부터 제조된 유기태양전지는 700 시간 까지 PCE, 충전률(FF, fill factor), JSC를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있고, 이후부터 조금씩 성능이 저하되었다.As shown in FIG. 18, it was confirmed that the organic solar cell prepared in Example 9 maintained PCE, fill factor (FF), and J SC for up to 700 hours, and the performance deteriorated little by little after that.
허나 800 시간 이후에도 PCE, FF가 최대 10% 이하로 감소된 것을 확인할 수 있다. 게다가 JSC와 VOC는 1000 시간까지 거의 감소하지 않고 초기 성능을 그대로 유지하고 있음을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명에 따른 유기태양전지는 85% 상대습도를 갖는 일상적인 환경에서 장기간 안정성이 최대 1000 내지 1500 시간까지 유지되는 매우 우수한 안정성을 가지고 있음을 확인하였다.
However, even after 800 hours, it can be seen that the PCE and FF have decreased to a maximum of 10% or less. In addition, it can be seen that J SC and V OC do not decrease until 1000 hours, but maintain their initial performance. As a result, it was confirmed that the organic solar cell according to the present invention has a very excellent stability that the long-term stability is maintained for up to 1000 to 1500 hours in a normal environment having 85% relative humidity.
100 : 유기태양전지
110 : 기판
120 : 하부 전극
120a : PEIE 고분자 표면개질층
130 : 광활성층
130a : MoO3 층
140 : 상부전극100: organic solar cell 110: substrate
120:
130: photoactive layer 130a: MoO3 layer
140: upper electrode
Claims (13)
상기 하부 전극 상에 형성된, (a) p-타입 유기 반도체 재료, (b) n-타입 유기 반도체 재료 및 (c) 용매를 포함하는 광활성층; 및
상기 광활성층 상에 형성된 상부 전극을 포함하고,
상기 (a) p-타입 유기 반도체 재료는 (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식에서
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고,
상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이며,
n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.A lower electrode formed on a substrate;
A photoactive layer formed on the lower electrode, the photoactive layer including (a) a p-type organic semiconductor material, (b) an n-type organic semiconductor material, and (c) a solvent; And
And an upper electrode formed on the photoactive layer,
(A-1) a first organic semiconductor material represented by the following formula (1) and (a-2) a second organic semiconductor material represented by the following formula (2) Features Organic solar cell.
[Chemical Formula 1]
(2)
In the above formula
X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents hydrogen or halogen,
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 And R < 6 > are the same or different and each independently represents a linear or branched alkyl group having 1 to 22 carbon atoms,
and n is an integer of 1 to 10,000,000.
상기 화학식 1에서
상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 직쇄의 알킬기이며,
상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 분지쇄의 알킬기이며,
상기 화학식 2에서 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 8 내지 22의 직쇄의 알킬기인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
In Formula 1,
R 1 and R 2 are the same or different and each independently represents a straight chain alkyl group having 1 to 7 carbon atoms,
R 3 and R 4 are the same or different and each independently represents a branched chain alkyl group having 8 to 22 carbon atoms,
Wherein R 3 and R 4 are the same or different and each independently represents a linear alkyl group having 8 to 22 carbon atoms.
상기 화학식 1에서,
상기 R1 및 R2가 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 갖는 경우,
상기 R3 및 R4도 서로 대칭이면서, 서로 동일한 구조를 가지며,
상기 화학식 2에서, 상기 R5 및 R6도 서로 대칭이면서 서로 동일한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.3. The method of claim 2,
In Formula 1,
When R 1 and R 2 are symmetrical to each other and have the same structure as each other,
R 3 and R 4 are also symmetrical to each other and have the same structure,
In Formula 2, R 5 and R 6 are also symmetrical with each other and have the same structure.
상기 화학식 1에서
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 F인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
In Formula 1,
Wherein X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different and each independently hydrogen or F.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료는 1000 내지 2000 g/㏖의 분자량을 갖는 저분자 화합물이고, 상기 (a-2) 제2 유기 반도체 재료는 50,000 내지 100,000 g/㏖의 분자량을 갖는 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the first organic semiconductor material (a-1) is a low molecular weight compound having a molecular weight of 1000 to 2000 g / mol and the second organic semiconductor material (a-2) is a high molecular weight compound having a molecular weight of 50,000 to 100,000 g / Wherein the organic solar cell is an organic solar cell.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료는 하기 화학식 3 내지 7로 표시되는 저분자 화합물 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
[화학식 7]
The method according to claim 1,
Wherein the first organic semiconductor material (a-1) is any one selected from low-molecular compounds represented by the following general formulas (3) to (7).
(3)
[Chemical Formula 4]
[Chemical Formula 5]
[Chemical Formula 6]
(7)
상기 (b) n-타입 유기 반도체 재료는 메틸(6,6)-페닐-C61-부티레이트(PC60BM), (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(C60-PCBM), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르(C70-PCBM), (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르(C76-PCBM), (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르(C78-PCBM), (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸에스테르(C80-PCBM), (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸에스테르(C82-PCBM), (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸에스테르(C84-PCBM), 비스(1-[3-(메톡시카르보닐)프로필]-1-페닐)(Bis-C60-PCBM), 3'-페닐-3'H-시클로프로파(8,25)(5,6)플러렌-C70-비스-D5h(6)-3'-부티르산 메틸 에스테르(Bis-C70-PCBM), 인덴-C60-비스어덕트(ICBA), 모노인덴닐C60(ICMA) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
The (b) n- type organic semiconductor material is Methyl (6,6) -phenyl -C61- butyrate (PC 60 BM), (6,6) -phenyl -C61- butynyl rigs Acid methyl ester (C 60 -PCBM) , (6,6) -phenyl -C71- butynyl rigs Acid methyl ester (C 70 -PCBM), (6,6) -phenyl -C77- butynyl rigs Acid methyl ester (C 76 -PCBM), (6,6) -Phenyl-C79-butyric acid methyl ester (C 78 -PCBM), (6,6) -phenyl-C 81 -butylic acid methyl ester (C 80 -PCBM) Rick acid methyl ester (C 82 -PCBM), (6,6 ) - phenyl butyric -C85- rigs acid methyl ester (C 84 -PCBM), bis (1- [3- (methoxycarbonyl) propyl] -1 phenyl) (bis-C 60 -PCBM) , 3'- phenyl -3'H- cycloalkyl profile (8,25) (5,6) fullerene -C70- bis -D5h (6) -3'- acid methyl Wherein the organic photovoltaic cell is at least one selected from the group consisting of Bis-C ( 70- PCBM), indene-C60-bisaduct (ICBA), monoindenyl C60 (ICMA) and combinations thereof.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비는 1:0.01-0.04인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of the first organic semiconductor material (a-1) to the second organic semiconductor material (a-2) is 1: 0.01-0.04.
상기 (c) 용매는 클로로벤젠 및 1,8-다이아이오도옥테인으로 이루어진 혼합용매이며,
상기 클로로벤젠과 1,8-다이아이오도옥테인의 혼합 부피비는 1 : 0.002-5인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
The solvent (c) is a mixed solvent composed of chlorobenzene and 1,8-diiodoctane,
Wherein the mixing ratio of the chlorobenzene to the 1,8-diiodoctane is 1: 0.002-5.
Ⅱ) (a-1) 하기 화학식 1로 표시되는 제1 유기 반도체 재료;와 (a-2) 하기 화학식 2로 표시되는 제2 유기 반도체 재료; (b) n-타입 유기 반도체 재료; 및 (c) 용매;를 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계;
Ⅲ) 상기 제1 용액을 상기 하부 전극 상에 코팅하여 광활성층을 형성하는 단계; 및
Ⅳ) 상기 광활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 유기태양전지의 제조방법.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식에서
상기 X1, X2, X3 및 X4는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐이고,
상기 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 22의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이며,
n은 1 내지 10,000,000의 정수이다.I) forming a lower electrode on a substrate;
(A-1) a first organic semiconductor material represented by the following formula (1) and (a-2) a second organic semiconductor material represented by the following formula (2) (b) an n-type organic semiconductor material; And (c) a solvent to prepare a first solution;
III) coating the first solution on the lower electrode to form a photoactive layer; And
IV) forming an upper electrode on the photoactive layer.
[Chemical Formula 1]
(2)
In the above formula
X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents hydrogen or halogen,
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 And R < 6 > are the same or different and each independently represents a linear or branched alkyl group having 1 to 22 carbon atoms,
and n is an integer of 1 to 10,000,000.
상기 (a-1) 제1 유기 반도체 재료와 (a-2) 제2 유기 반도체 재료의 혼합 중량비는 1:0.01-0.04인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.11. The method of claim 10,
Wherein the mixing weight ratio of the first organic semiconductor material (a-1) to the second organic semiconductor material (a-2) is 1: 0.01-0.04.
상기 (c) 용매는 클로로벤젠 및 1,8-다이아이오도옥테인으로 이루어진 혼합용매이며,
상기 클로로벤젠과 1,8-다이아이오도옥테인의 혼합 부피비는 1 : 0.002-5인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.11. The method of claim 10,
The solvent (c) is a mixed solvent composed of chlorobenzene and 1,8-diiodoctane,
Wherein a mixing volume ratio of the chlorobenzene and the 1,8-diiodoctane is 1: 0.002-5.
상기 Ⅲ) 단계는 스핀코팅 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.11. The method of claim 10,
Wherein the step (III) is performed by a spin coating method.
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