KR20180101827A - 중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.

Description

중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지{POLYMER AND ORGANIC SOLAR CELL COMPRISING THE SAME}
본 명세서는 중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
유기 태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 나뉠 수 있다. 전형적인 태양전지는 무기 반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자와 정공은 p-n 접합점까지 확산되고 그 전계에 의하여 가속되어 전극으로 이동한다. 이 과정의 전력변환 효율은 외부 회로에 주어지는 전력과 태양전지에 들어간 태양전력의 비로 정의되며, 현재 표준화된 가상 태양 조사 조건으로 측정 시 24%정도까지 달성되었다. 그러나 종래 무기 태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기물 반도체 태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
태양전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 엑시톤을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다. 전하가 손실되는 원인 중의 하나가 생성된 전자 및 정공이 재결합(recombination)에 의해 소멸하는 것이다. 생성된 전자나 정공이 손실되지 않고 전극에 전달되기 위한 방법으로 다양한 방법이 제시되고 있으나, 대부분 추가 공정이 요구되고 이에 따라 제조 비용이 상승할 수 있다.
한국 특허 공개공보 2014-0025621호
Two-layer organic photovoltaic cell(C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1996)) Efficiencies via Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions(G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270, 1789. (1995))
본 명세서는 중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 및 하기 화학식 2로 표시되는 제2 단위를 포함하는 중합체를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 1 및 2에 있어서,
d1, d2, x 및 x'는 각각 1 또는 2 이며,
상기 d1, d2, x 및 x'가 각각 2인 경우, 괄호 내의 구조는 서로 같거나 상이하고,
X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이며,
Y1 내지 Y4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR", N, SiR", P 또는 GeR"이고,
X 및 X'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 S 또는 Se 이며,
Ar1 및 Ar2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이고,
R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 분지쇄의 알킬기이며,
G1 및 G2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이고,
R, R' 및 R"는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며,
D1 및 D2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 구조 중에서 선택되는 어느 하나이고,
Figure pat00003
상기 구조에 있어서,
X", X"' 및 X""는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 S 또는 Se이며,
Y 및 Y'는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR"', N, SiR"', P 또는 GeR"'이고,
G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이며,
R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며,
g는 0 또는 1이다.
또한, 본 명세서는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 전술한 중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 컨쥬게이션 길이(conjugation length)가 증가함에 따라 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있고, 이로 인해 높아지는 개방전압을 상기 화학식 1의 Ar1 및 Ar2의 통해 유지 또는 향상시킬 수 있으므로 높은 효율의 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체를 포함하는 유기 태양 전지 제조 시, 상온에서 유기 태양 전지를 제작할 수 있으므로, 종래의 유기 태양 전지와 달리 고온의 열처리 및 공정시간이 필요하지 않아 시간 및 비용면에서 경제적이다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
도 2 및 3은 중합체 1의 UV-vis 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 중합체 1의 순환 전압 전류법 (Cyclic Voltammetry) 그래프이다.
도 5는 실험예 1-1 내지 1-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 6는 실험예 2-1 내지 2-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 7는 실험예 3-1 내지 3-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 8는 실험예 4-1 내지 4-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 9는 실험예 5-1 내지 5-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 10는 실험예 6-1 내지 6-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 11는 실험예 7-1 내지 7-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에 있어서 '단위'란 단량체가 중합체에 포함되는 반복되는 구조로서, 단량체가 중합에 의하여 중합체 내에 결합된 구조를 의미한다.
본 명세서에 있어서 '단위를 포함'의 의미는 중합체 내의 주쇄에 포함된다는 의미이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위와 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위를 포함한다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 중합체에 포함되는 1 또는 2 이상의 화학식 1로 표시되는 제1 단위와 1 또는 2 이상의 화학식 2로 표시되는 제2 단위를 포함한다.
본 명세서에서 상기 중합체에 포함하는 제1 단위 및/또는 제2 단위가 2 이상인 경우, 2 이상의 제1 단위 및/또는 제2 단위는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 복수 개의 제1 단위 및/또는 제2 단위를 동일하거나 상이하게 조절함으로써, 소자의 제조시 필요한 중합체의 용해도 및/또는 소자의 수명, 효율 특성 등을 조절할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위는 알콕시기를 포함하고, 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 불소 및 분지쇄의 알킬기를 포함한다. 따라서, 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위와 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위를 동시에 포함하는 경우에는 중합체의 용해도가 우수하다. 이 경우, 소자의 제조시 시간 및/또는 비용 상 경제적인 이점이 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 컨쥬게이션 길이(conjugation length)가 증가함에 따라 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있고, 이로인해 높아지는 개방전압을 상기 화학식 1의 Ar1 및 Ar2의 알킬체인의 변화를 통해 유지 또는 향상시킬 수 있으므로 높은 효율의 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체를 포함하는 유기 태양 전지 제조 시, 상온에서 유기 태양 전지를 제작할 수 있으므로, 종래의 유기 태양 전지와 달리 고온의 열처리 및 공정시간이 필요하지 않아 시간 및 비용면에서 경제적이다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, -O-Ar1와 -O-Ar2를 포함하는 제1 단위는 HOMO 에너지 준위의 값을 높이고, G1 및 G2를 포함하는 제2 단위는 HOMO 에너지 준위의 값을 낮춘다. 따라서, 제1 단위와 제2 단위의 비율을 조절하여, 적절한 HOMO 에너지 준위를 조절하여, 높은 유기 태양 전지를 구현할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 에너지 준위는 에너지의 크기를 의미하는 것이다. 따라서, 진공준위로부터 마이너스(-) 방향으로 에너지 준위가 표시되는 경우에도, 에너지 준위는 해당 에너지 값의 절대값을 의미하는 것으로 해석된다. 예컨대, HOMO 에너지 준위란 진공준위로부터 최고 점유 분자 오비탈(highest occupied molecular orbital)까지의 거리를 의미한다. 또한, LUMO 에너지 준위란 진공준위로부터 최저 비점유 분자 오비탈(lowest unoccupied molecular orbital)까지의 거리를 의미한다.
또한, 상기 HOMO 에너지 준위 값을 낮춘다는 의미는 에너지 준위의 절대값이 커진다는 것을 의미하며, HOMO 에너지 준위 값을 높인다는 의미는 에너지 준위의 절대값이 작아진다는 것을 의미한다.
상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 "치환"이라는 용어는 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자가 다른 치환기로 바뀌는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정하지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나 상기 예시된 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환기로 치환되거나, 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다. 예컨대, "2 이상의 치환기가 연결된 치환기"는 비페닐기일 수 있다. 즉, 비페닐기는 아릴기일 수도 있고, 2개의 페닐기가 연결된 치환기로 해석될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 이미드기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 30인 것이 바람직하다. 구체적으로 하기와 같은 구조의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00004
본 명세서에 있어서, 아미드기는 아미드기의 질소가 수소, 탄소수 1 내지 30의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기로 1 또는 2 치환될 수 있다. 구체적으로, 하기 구조식의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00005
본 명세서에 있어서, 할로겐기의 예로는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 50인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸-부틸, 1-에틸-부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 시클로펜틸메틸, 시클로헥실메틸, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸펜틸, 4-메틸헥실, 5-메틸헥실 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 구체적으로 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 3-메틸시클로펜틸, 2,3-디메틸시클로펜틸, 시클로헥실, 3-메틸시클로헥실, 4-메틸시클로헥실, 2,3-디메틸시클로헥실, 3,4,5-트리메틸시클로헥실, 4-tert-부틸시클로헥실, 시클로헵틸, 시클로옥틸 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소프로폭시, i-프로필옥시, n-부톡시, 이소부톡시, tert-부톡시, sec-부톡시, n-펜틸옥시, 네오펜틸옥시, 이소펜틸옥시, n-헥실옥시, 3,3-디메틸부틸옥시, 2-에틸부틸옥시, n-옥틸옥시, n-노닐옥시, n-데실옥시, 벤질옥시, p-메틸벤질옥시 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 비닐, 1-프로페닐, 이소프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 1-펜테닐, 2-펜테닐, 3-펜테닐, 3-메틸-1-부테닐, 1,3-부타디에닐, 알릴, 1-페닐비닐-1-일, 2-페닐비닐-1-일, 2,2-디페닐비닐-1-일, 2-페닐-2-(나프틸-1-일)비닐-1-일, 2,2-비스(디페닐-1-일)비닐-1-일, 스틸베닐기, 스티레닐기 등이 있으나 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 상기 아릴기가 단환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 상기 아릴기가 다환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나. 탄소수 10 내지 24인 것이 바람직하다. 구체적으로 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 플루오레닐기는 치환될 수 있으며, 인접한 치환기들이 서로 결합하여 고리를 형성할 수 있다.
상기 플루오레닐기가 치환되는 경우,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
및
Figure pat00013
등이 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 헤테로 고리기는 탄소가 아닌 원자, 이종원자를 1 이상 포함하는 것으로서, 구체적으로 상기 이종 원자는 O, N, Si, Se 및 S 등으로 이루어진 군에서 선택되는 원자를 1 이상 포함할 수 있다. 헤테로 고리기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 피라지닐기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 피리도 피리미디닐기, 피리도 피라지닐기, 피라지노 피라지닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기(phenanthroline), 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 티아디아졸릴기, 페노티아지닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아민기는 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 1 내지 30인 것이 바람직하다. 아민기는 N 원자에, 아릴기, 알킬기, 아릴알킬기, 및 헤테로고리기 등으로 치환될 수 있으며, 아민기의 구체적인 예로는 메틸아민기, 디메틸아민기, 에틸아민기, 디에틸아민기, 페닐아민기, 나프틸아민기, 비페닐아민기, 안트라세닐아민기, 9-메틸-안트라세닐아민기, 디페닐아민기, 페닐나프틸아민기, 디톨릴아민기, 페닐톨릴아민기, 트리페닐아민기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴옥시기, 아릴티옥시기 및 아릴술폭시기 중의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다. 구체적으로 아릴옥시기로는 페녹시, p-토릴옥시, m-토릴옥시, 3,5-디메틸-페녹시, 2,4,6-트리메틸페녹시, p-tert-부틸페녹시, 3-비페닐옥시, 4-비페닐옥시, 1-나프틸옥시, 2-나프틸옥시, 4-메틸-1-나프틸옥시, 5-메틸-2-나프틸옥시, 1-안트릴옥시, 2-안트릴옥시, 9-안트릴옥시, 1-페난트릴옥시, 3-페난트릴옥시, 9-페난트릴옥시 등이 있고, 아릴티옥시기로는 페닐티옥시기, 2－메틸페닐티옥시기, 4－tert－부틸페닐티옥시기 등이 있으며, 아릴술폭시기로는 벤젠술폭시기, p－톨루엔술폭시기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 알킬티옥시기 및 알킬술폭시기 중의 알킬기는 전술한 알킬기의 예시와 같다. 구체적으로 알킬티옥시기로는 메틸티옥시기, 에틸티옥시기, tert－부틸티옥시기, 헥실티옥시기, 옥틸티옥시기 등이 있고, 알킬술폭시기로는 메실, 에틸술폭시기, 프로필술폭시기, 부틸술폭시기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서 X1은 S 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서 Y1은 N이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서 Y2는 N이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서 d1은 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위는 1종 이상 포함된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위는 하기 화학식 1-1로 표시된다.
[화학식 1-1]
Figure pat00014
상기 화학식 1-1에 있어서,
Ar1, Ar2 및 D1은 상기 화학식 1에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서 D1은 하기 구조중에서 선택되는 어느 하나이다.
Figure pat00015
상기 구조에 있어서,
X", X"' 및 X""는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 S 또는 Se이며,
Y 및 Y'는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR"', N, SiR"', P 또는 GeR"'이고,
G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이며,
R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이고,
g는 0 또는 1이다.
상기 구조에 있어서, X", X"' 및 X""는 S이다.
상기 구조에 있어서, Y 및 Y'는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR"'이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 D1은 하기 구조중에서 선택되는 어느 하나이다.
Figure pat00016
상기 구조에 있어서,
G11 내지 G18, G101, G102 및 R"'는 전술한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 1-2 내지 1-5 중 어느 하나로 표시된다.
[화학식 1-2]
Figure pat00017
[화학식 1-3]
Figure pat00018
[화학식 1-4]
Figure pat00019
[화학식 1-5]
Figure pat00020
상기 화학식 1-2 내지 1-5에 있어서,
Ar1 및 Ar2는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 동일하고,
G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이며,
R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 2에 있어서 X2는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면 상기 화학식 2에 있어서 Y3는 N이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 2에 있어서 Y4는 N이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 2에 있어서 X는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 2에 있어서 X'는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 2에 있어서 d2는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 2에 있어서 x는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 2에 있어서 x'는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 1 종 이상 포함된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 하기 화학식 2-1로 표시된다.
[화학식 2-1]
Figure pat00021
상기 화학식 2-1에 있어서,
R1, R2, G1, G2 및 D2는 화학식 2에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서 D2는 하기 구조중에서 선택되는 어느 하나이다.
Figure pat00022
상기 구조에 있어서,
X", X"' 및 X""는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 S 또는 Se이며,
Y 및 Y'는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR"', N, SiR"', P 또는 GeR"'이고,
G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이며,
R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이고,
g는 0 또는 1이다.
상기 구조에 있어서, X", X"' 및 X""는 S이다.
상기 구조에 있어서, Y 및 Y'는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR"'이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 D2는 하기 구조중에서 선택되는 어느 하나이다.
Figure pat00023
상기 구조에 있어서,
G11 내지 G18, G101, G102 및 R"'는 전술한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2는 하기 화학식 2-2 내지 2-5 중 어느 하나로 표시된다.
[화학식 2-2]
Figure pat00024
[화학식 2-3]
Figure pat00025
[화학식 2-4]
Figure pat00026
[화학식 2-5]
Figure pat00027
상기 화학식 2-2 내지 2-5에 있어서,
R1, R2, G1 및 G2는 화학식 2에서 정의한 바와 동일하고,
G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이며,
R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 화학식 2의 d2, x 및 x'가 1이고, 화학식 1의 d1이 1인 경우에는 분자의 회전을 방지하고, X 및 X'의 S와 G1, G2의 할로겐기 또는 화학식 1의 O 원자와 서로 상호작용(interaction)을 통하여 평면성이 증가할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 단위 및 제2 단위를 포함하는 중합체는 교대 중합체이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 단위 및 제2 단위를 포함하는 중합체는 랜덤 중합체이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 4 또는 5로 표시되는 단위를 포함한다.
[화학식 4]
Figure pat00028
[화학식 5]
Figure pat00029
상기 화학식 4 및 5에 있어서,
A는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고,
B는 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위이며,
l은 몰분율로서 0 < l < 1 이며,
m은 몰분율로서 0 < m <1 이고,
l + m = 1이고,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
본 명세서에서 상기 화학식 4로 표시되는 단위를 포함하는 중합체는 제1 단위 및 제2 단위만으로 구성된 단위를 포함하는 것으로 교대 중합체를 구성할 수 있다.
본 명세서에서 상기 화학식 5로 표시되는 단위를 포함하는 중합체는 제1 단위 및 제2 단위만으로 구성된 단위를 포함하는 것으로 랜덤 중합체를 구성할 수 있으며, l 및 m의 몰분율에 따라서, 제1 단위 및 제2 단위의 함량을 조절할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 4로 표시되는 단위는 하기 화학식 4-1 내지 4-16 중 어느 하나로 표시된다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 화학식 5로 표시되는 단위는 하기 화학식 5-1 내지 5-16 중 어느 하나로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 4-1 내지 4-16 및 5-1 내지 5-16 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함한다.
[화학식 4-1]
Figure pat00030
[화학식 4-2]
Figure pat00031
[화학식 4-3]
Figure pat00032
[화학식 4-4]
Figure pat00033
[화학식 4-5]
Figure pat00034
[화학식 4-6]
Figure pat00035
[화학식 4-7]
Figure pat00036
[화학식 4-8]
Figure pat00037
[화학식 4-9]
Figure pat00038
[화학식 4-10]
Figure pat00039
[화학식 4-11]
Figure pat00040
[화학식 4-12]
Figure pat00041
[화학식 4-13]
Figure pat00042
[화학식 4-14]
Figure pat00043
[화학식 4-15]
Figure pat00044
[화학식 4-16]
Figure pat00045
[화학식 5-1]
Figure pat00046
[화학식 5-2]
Figure pat00047
[화학식 5-3]
Figure pat00048
[화학식 5-4]
Figure pat00049
[화학식 5-5]
Figure pat00050
[화학식 5-6]
Figure pat00051
[화학식 5-7]
Figure pat00052
[화학식 5-8]
Figure pat00053
[화학식 5-9]
Figure pat00054
[화학식 5-10]
Figure pat00055
[화학식 5-11]
Figure pat00056
[화학식 5-12]
Figure pat00057
[화학식 5-13]
Figure pat00058
[화학식 5-14]
Figure pat00059
[화학식 5-15]
Figure pat00060
[화학식 5-16]
Figure pat00061
상기 화학식 4-1 내지 4-16 및 5-1 내지 5-16에 있어서,
Ar1 및 Ar2는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 동일하고,
R1, R2, G1 및 G2는 화학식 2에서 정의한 바와 동일하며,
G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이고,
R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며
l은 몰분율로서 0 < l < 1 이고,
m은 몰분율로서 0 < m <1 이며,
l + m = 1이고,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ar1 및 Ar2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ar1 및 Ar2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 30의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ar1 및 Ar2는 치환 또는 비치환된 도데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ar1 및 Ar2는 도데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ar1은 도데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ar2는 도데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ar1은 n-도데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ar2는 n-도데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G1 및 G2는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G1 및 G2는 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G1은 수소이고, G2는 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G1은 불소이고, G1은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 3 내지 30의 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R1 및 R2는 치환 또는 비치환된 2-데실테트라데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R1 및 R2는 2-데실테트라데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R1은 2-데실테트라데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 R2는 2-데실테트라데실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G11 내지 G14는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G11 내지 G14 중 2개는 불소이고, 나머지는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G12 및 G13은 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G11 및 G14는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 G15 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, R"'는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 5-1-1, 5-5-1, 5-11-1 및 5-16-1 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함한다.
[화학식 5-1-1]
Figure pat00062
[화학식 5-5-1]
Figure pat00063
[화학식 5-11-1]
Figure pat00064
[화학식 5-16-1]
Figure pat00065
상기 화학식 5-1-1, 5-5-1, 5-11-1 및 5-16-1에 있어서,
l은 몰분율로서 0 < l < 1 이고,
m은 몰분율로서 0 < m <1 이며,
l + m = 1이고,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 l은 0.5이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 m은 0.5이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 HOMO 에너지 준위는 5 eV 내지 5.9 eV 이다.
본 명세서에서 상기 HOMO 에너지 준위의 측정은 전기화학적 방법인 사이클릭 볼타메트리 (cyclic voltammetry)로 HOMO 에너지 준위를 측정하였고, LUMO 에너지 준위는 HOMO 에너지 에서 UV 엣지(edge)로부터 나온 에너지 밴드갭의 차이로 측정하였다.
구체적으로 사이클릭 볼타메트리 (cyclic voltammetry)는 카본 전극인 작업(Working)전극, 기준(Reference) 전극, 백금 판인 카운터(Counter) 전극으로 이루어져 있으며 전위를 시간에 따라 일정한 속도로 오르내리게 하면서 전극에 흐르는 전류를 측정하는 방법이다. HOMO 및 LUMO의 계산식은 아래와 같다.
[식]
HOMO(or LUMO)(eV)＝-4.8-(Eonset-E1/2( Ferrocene ))
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 클로로벤젠에 대한 용해도가 0.1 wt% 내지 20 wt%이다. 상기 용해도 측정은 상온에서 측정된 값을 의미할 수 있다.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 트라이플루오로-벤젠기(trifluoro-benzene) 및/또는 4-브로모디페닐 에스터(4-Bromodiphenyl ether)를 사용하나, 일반적으로 공지된 말단기를 당업자의 필요에 따라 변경하여 사용할 수 있으며, 이를 한정하지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체의 수평균 분자량은 5,000 g/mol 내지 1,000,000 g/mol이 바람직하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체는 1 내지 10의 분자량 분포를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 중합체는 1 내지 3의 분자량 분포를 가진다.
또한, 일정 이상의 용해도를 가져서 용액도포법 적용이 유리하도록 하기 위해 수평균 분자량은 100,000이하인 것이 바람직하다.
본 명세서에 따른 중합체는 다단계 화학반응으로 제조할 수 있다. 알킬화 반응, 그리냐르(Grignard) 반응, 스즈끼(Suzuki) 커플링 반응 및 스틸(Stille) 커플링 반응 등을 통하여 모노머들을 제조한 후, 스틸 커플링 반응 등의 탄소-탄소 커플링 반응을 통하여 최종 중합체들을 제조할 수 있다. 도입하고자 하는 치환기가 보론산(boronic acid) 또는 보론산 에스터(boronic ester) 화합물인 경우에는 스즈키 커플링 반응을 통해 제조할 수 있고, 도입하고자 하는 치환기가 트리부틸틴(tributyltin) 또는 트리메틸틴(trimethyltin) 화합물인 경우에는 스틸 커플링 반응을 통해 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 제1 전극, 광활성층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 유기 태양 전지는 기판, 정공수송층 및/또는 전자수송층이 더 포함될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 도너층을 통하여 양극으로 수송된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층은 상기 중합체를 포함한다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층은 상기 중합체를 포함한다.
도 1 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 도너층을 통하여 양극으로 수송된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 부가적인 유기물층을 더 포함할 수 있다. 상기 유기 태양 전지는 여러 기능을 동시에 갖는 유기물을 사용하여 유기물층의 수를 감소시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기 태양 전지는 캐소드, 광활성층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있고, 애노드, 광활성층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 노멀(Normal)구조이다. 상기 노말 구조는 기판 상에 애노드가 형성되는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지가 노말 구조인 경우, 기판 상에 형성되는 제1 전극이 애노드일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 인버티드(Inverted) 구조이다. 상기 인버티드 구조는 기판 상에 캐소드가 형성되는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지가 인버티드 구조인 경우, 기판 상에 형성되는 제1 전극이 캐소드일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 탠덤 (tandem) 구조이다. 이 경우 상기 유기 태양 전지는 2 층 이상의 광활성층을 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양 전지는 광활성층이 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 버퍼층이 광활성층과 정공수송층 사이 또는 광활성층과 전자수송층 사이에 구비될 수 있다. 이때, 정공 주입층이 애노드와 정공수송층 사이에 더 구비될 수 있다. 또한, 전자주입층이 캐소드와 전자수송층 사이에 더 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 전자 주개 및 받개로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함하고, 상기 전자 주개는 상기 중합체를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 받개 물질은 플러렌, 플러렌 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 구체적으로 플러렌(fullerene), 플러렌 유도체(PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-methylester, (6,6)-phenyl-C71-butyric acid-methylester), 또는 PCBCR((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-cholesteryl ester), 페릴렌(perylene) PBI(polybenzimidazole), 및 PTCBI(3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 화합물이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성한다.
벌크 헤테로 정션이란 광활성층에서 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 서로 섞여 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 첨가제를 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 첨가제의 분자량은 50 g/mol 내지 1000 g/mol이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 첨가제의 끓는점은 30 내지 300 의 유기물이다.
본 명세서에서 유기물이란 탄소 원자를 적어도 1 이상 포함하는 물질을 의미한다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 첨가제는 1,8-디아이오도옥탄(DIO:1,8-diiodooctane), 1-클로로나프탈렌(1-CN:1-chloronaphthalene), 다이페닐에테르 (DPE:diphenylether), 옥탄디티올(octane dithiol) 및 테트라브로모싸이오펜(tetrabromothiophene)으로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제 중에서 1 또는 2 종의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
유기 태양 전지에서 엑시톤의 원활한 분리와 분리된 전하의 효과적인 수송을 위해서는 전자 주개와 받개 사이의 계면을 최대한으로 늘리되 적당한 상분리를 통해 전자 주개와 받개의 연속적 통로를 확보하여, 모폴로지의 향상을 유도하는 것이 요구된다.
본 명세서의 일 실시상태에 따라, 첨가제를 활성층에 도입함으로써 고분자와 플러렌 유도체의 첨가제에 대한 선택적 용해도 및 용매와 첨가제의 끓는점 차이로 유도되는 효과적인 상분리를 유도할 수 있다. 또한 전자받개물질이나 전자주개물질을 가교화시켜 모폴로지를 고정시켜 상분리가 일어나지 않도록 할 수가 있고, 전자주개물질의 분자 구조의 변화를 통해서도 모폴로지를 컨트롤할 수 있다.
추가로 전자주개 물질의 입체규칙성 제어를 통한 모폴로지 향상뿐만 아니라, 고온에서의 열처리와 같은 후처리를 통해 모폴로지를 향상시킬 수 있다. 이는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체의 배향 및 결정화를 유도할 수 있고, 광활성층의 거칠기를 증가시켜, 전극과 접촉이 용이하게 하여 효과적인 전하의 이동을 유도할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 n 형 유기물층 및 p 형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer) 구조이며, 상기 p형 유기물층은 상기 중합체를 포함한다.
본 명세서에서 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기 태양 전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다. 구체적으로 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PI(polyimide), TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극은 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SnO2 : Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 폴리(3-메틸싸이오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)싸이오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
상기 애노드 전극을 기판 상에 형성하는 경우, 이는 세정, 수분제거 및 친수성 개질 과정을 거칠 수 있다.
예컨대, 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로필 알코올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음, 수분 제거를 위해 가열판에서 100℃ 내지 150℃에서 1 내지 30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합 표면 전위를 광활성층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 개질 시 애노드 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다.
애노드 전극의 전 처리 기술로는 a) 평행 평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있다.
애노드 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 애노드 전극 또는 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이 때, 전 처리의 실질적인 효과를 극대화할 수 있다.
구체적인 예로서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용할 수 있다. 이 때, 초음파 세정 후 패터닝된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음, 챔버에 투입하고, UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV 광과 반응하여 발생하는 오존에 의하여 패터닝된 ITO 기판을 세정할 수 있다.
그러나, 본 명세서에 있어서의 패터닝된 ITO 기판의 표면 개질 방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
상기 캐소드 전극은 일함수가 작은 금속이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; LiF/Al, LiO2/Al, LiF/Fe, Al:Li, Al:BaF2, Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 캐소드 전극은 5x10- 7torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 증착되어 형성될 수 있으나, 이 방법에만 한정되는 것은 아니다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 광활성층에서 분리된 전자와 정공을 전극으로 효율적으로 전달시키는 역할을 담당하며, 물질을 특별히 제한하지는 않는다.
상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)), 몰리브데늄 산화물(MoOx); 바나듐 산화물(V2O5); 니켈 산화물(NiO); 및 텅스텐 산화물(WOx) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층 물질은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 8-히드록시퀴놀린의 금속착물; Alq3를 포함한 착물; Liq를 포함한 금속착물; LiF; Ca; 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3), 폴리 에틸렌 이민(PEI) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
광활성층은 전자공여체 및/또는 전자수용체와 같은 광활성 물질을 유기용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법으로 형성할 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
제조예 1. 중합체의 제조
Figure pat00066
깨끗이 건조된 5mL 마이크로 웨이브 바이알에 화합물 a-1, a-2 및 a-3, Pd2(dba)3 (3mol %) 및 트리-(o-톨릴)포스핀(tri-(o-tolyl)phosphine) (6mol %)을 첨가한 다음 무수 클로로벤젠 5ml를 첨가하였다. 생성된 반응 혼합물을 마이크로웨이브 반응기에서 130℃에서 100분 동안 가열 하였다. 브로모벤조트리 플루오라이드(Br-Benzotrifluoride) 0.5 mL를 상기 용액에 가한 후, 생성된 용액을 20분 동안 더 교반한 후, 실온으로 냉각시켰다. 그 후, 혼합물을 100 mL의 메탄올에 부었다. 침전된 중합체를 여과 수득하였다. 수집 된 중합체를 메탄올, 아세톤 헥산 및 클로로포름 순서로 속슬레(soxhlet) 추출 하였다. 클로로포름 추출물을 농축시킨 다음 메탄올에 붓고 중합체를 침전시켰다. 침전된 중합체를 다시 여과로 수득하고 진공하에 밤새 건조시켰다. 보라색-흑색의 광택을 가진 정제 된 중합체 1을 (120 mg, 28 %)을 얻었다.
GPC 분석: Mn=28,641, PDI=1.98
도 2는 중합체 1을 클로로벤젠에 녹인 용액의 UV-Vis 흡광 스펙트럼이며, 도 3은 중합체 1을 클로로 벤젠에 녹여 만든 필름 샘플의 UV-Vis 흡광 스펙트럼으로 UV-Vis 흡광 스펙트럼(UV-Vis absorption spectrometer)를 이용하여 분석하였다.
도 4는 중합체 1의 순환 전압 전류법 (Cyclic Voltammetry) 그래프이다.
또한, 상기 도 2 내지 4에 따른 중합체 1의 분석 결과는 하기 표 1과 같다.
Mn/Mw/D
(g/mol)		 용액 필름[a] Optical
Eg opt
(eV)[a] 		HOMO
(eV)[a]
CV		 LUMO
(eV)[a]
CV
λmax , abs
(nm)		 λmax
(nm)		 λedge
(nm)
28641/59751/1.98 678 667 723 1.71 -5.36 -3.65
실험예 1-1. 유기 태양 전지의 제조
상기 중합체 1과 PC71BM 을 1:1로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 4 wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/ZnO NP/광활성층/MoO3/Ag의 인버티드 구조로 하였다.
ITO는 바타입(bar type)으로 1.5 cm × 1.5 cm가 코팅된 유리 기판(11.5 Ω/□)은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10 분 동안 오존 처리한 후 ZnO NP(ZnO nanograde N-10 2.5wt% in 1-butanol, 0.45㎛ PTFE에 필터링)를 만들고, 이 ZnO NP 용액을 4000 rpm으로 40초간 스핀 코팅(spin-coating) 한 후, 80℃에서 10분간 열처리하여 남아있는 용매를 제거하여 전자수송층을 완성하였다. 광활성층의 코팅을 위해서 중합체 1과 PC71BM의 복합 용액을 70℃에서 700rpm으로 25초간 스핀 코팅하였다. 열증착기에서 MoO3를 0.2 Å/s의 속도로 10-7 Torr에서 10 nm의 두께로 열증착하여 정공수송층을 제조하였다. 상기 순으로 제조 후 열증착기 내부에서 Ag를 1 Å/s의 속도로 100 nm 증착하여 역방향 구조의 유기 태양전지를 제조하였다.
실험예 1-2. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 1-1에서 광활성층의 코팅을 위해서 중합체 1과 PC71BM의 복합 용액을 700rpm 대신 1000rpm으로 스핀코팅한 것을 제외하고, 실험예 1-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 1-3. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 1-1에서 광활성층의 코팅을 위해서 중합체 1과 PC71BM의 복합 용액을 700rpm 대신 1500rpm으로 스핀코팅한 것을 제외하고, 실험예 1-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 1-4. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 1-1에서 광활성층의 코팅을 위해서 중합체 1과 PC71BM의 복합 용액을 700rpm 대신 2000rpm으로 스핀코팅한 것을 제외하고, 실험예 1-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실험예 1-1 내지 1-4에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
rpm Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)		 평균 η
(%)
실험예 1-1 700 0.833 9.898 0.402 3.32 3.33
0.833 9.752 0.410 3.33
실험예 1-2 1000 0.833 9.795 0.361 2.94 3.27
0.831 10.016 0.433 3.60
실험예 1-3 1500 0.779 10.872 0.447 3.79 3.93
0.834 10.737 0.454 4.06
실험예 1-4 2000 0.839 10.900 0.468 4.28 4.27
0.839 10.535 0.481 4.25
도 5는 실험예 1-1 내지 1-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
실험예 2-1. 유기 태양 전지의 제조
상기 중합체 1과 PC71BM 을 1:2로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 4wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/ZnO NP/광활성층/MoO3/Ag의 인버티드 구조로 하였다.
ITO는 바타입(bar type)으로 1.5 cm × 1.5 cm가 코팅된 유리 기판(11.5 Ω/□)은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10 분 동안 오존 처리한 후 ZnO NP(ZnO nanograde N-10 2.5wt% in 1-butanol, 0.45㎛ PTFE에 필터링)를 만들고, 이 ZnO NP 용액을 4000 rpm으로 40초간 스핀 코팅(spin-coating) 한 후, 80℃에서 10분간 열처리하여 남아있는 용매를 제거하여 전자수송층을 완성하였다. 광활성층의 코팅을 위해서 중합체 1과 PC71BM의 복합 용액을 70℃에서 700rpm으로 25초간 스핀 코팅하였다. 열증착기에서 MoO3를 0.2 Å/s의 속도로 10-7 Torr에서 10 nm의 두께로 열증착하여 정공수송층을 제조하였다. 상기 순으로 제조 후 열증착기 내부에서 Ag를 1 Å/s의 속도로 100 nm 증착하여 역방향 구조의 유기 태양전지를 제조하였다.
실험예 2-2. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-1에서 광활성층의 코팅을 위해서 중합체 1과 PC71BM의 복합 용액을 700rpm 대신 1000rpm으로 스핀코팅한 것을 제외하고, 실험예 2-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 2-3. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-1에서 광활성층의 코팅을 위해서 중합체 1과 PC71BM의 복합 용액을 700rpm 대신 1500rpm으로 스핀코팅한 것을 제외하고, 실험예 2-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 2-4. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-1에서 광활성층의 코팅을 위해서 중합체 1과 PC71BM의 복합 용액을 700rpm 대신 2000rpm으로 스핀코팅한 것을 제외하고, 실험예 2-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실험예 2-1 내지 2-4에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 3에 그 결과를 나타내었다.
rpm Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)		 평균 η
(%)
실험예 2-1 700 0.814 12.060 0.529 5.19 5.22
0.813 11.895 0.543 5.25
실험예 2-2 1000 0.820 11.985 0.563 5.53 5.57
0.817 11.760 0.583 5.61
실험예 2-3 1500 0.830 11.297 0.523 4.91 5.38
0.822 11.656 0.610 5.85
실험예 2-4 2000 0.827 10.134 0.575 4.81 4.93
0.825 10.312 0.593 5.04
도 6는 실험예 2-1 내지 2-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
실험예 3-1. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 1-1에서 상기 중합체 1과 PC71BM 을 1:1 대신 1:3으로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조한 것을 제외하고, 실험예 1-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 3-2. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 1-2에서 상기 중합체 1과 PC71BM 을 1:1 대신 1:3으로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조한 것을 제외하고, 실험예 1-2와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 3-3. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 1-3에서 상기 중합체 1과 PC71BM 을 1:1 대신 1:3으로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조한 것을 제외하고, 실험예 1-3과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 3-4. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 1-4에서 상기 중합체 1과 PC71BM 을 1:1 대신 1:3으로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조한 것을 제외하고, 실험예 1-4와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실험예 3-1 내지 3-4에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 4에 그 결과를 나타내었다.
rpm Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)		 평균 η
(%)
실험예 3-1 700 0.813 10.780 0.544 4.77 5.16
0.807 11.211 0.612 5.54
실험예 3-2 1000 0.812 10.840 0.646 5.69 5.69
0.811 10.647 0.658 5.68
실험예 3-3 1500 0.820 9.855 0.592 4.79 5.07
0.814 9.724 0.675 5.34
실험예 3-4 2000 0.815 8.299 0.617 4.18 4.26
0.810 8.333 0.643 4.34
도 7는 실험예 3-1 내지 3-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
실험예 4-1. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-1에서 상기 중합체 1과 PC71BM의 복합용액(composit solution)을 4wt% 대신 2wt%로 제조한 것을 제외하고, 실험예 2-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 4-2. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-2에서 상기 중합체 1과 PC71BM의 복합용액(composit solution)을 4wt% 대신 2wt%로 제조한 것을 제외하고, 실험예 2-2과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 4-3. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-3에서 상기 중합체 1과 PC71BM의 복합용액(composit solution)을 4wt% 대신 2wt%로 제조한 것을 제외하고, 실험예 2-3과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 4-4. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-4에서 상기 중합체 1과 PC71BM의 복합용액(composit solution)을 4wt% 대신 2wt%로 제조한 것을 제외하고, 실험예 2-4과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실험예 4-1 내지 4-4에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 5에 그 결과를 나타내었다.
rpm Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)		 평균 η
(%)
실험예 4-1 700 0.832 9.924 0.483 3.99 4.11
0.778 10.125 0.537 4.23
실험예 4-2 1000 0.819 9.570 0.580 4.55 4.43
0.817 9.283 0.568 4.31
실험예 4-3 1500 0.833 9.596 0.566 4.52 4.77
0.835 9.857 0.610 5.02
실험예 4-4 2000 0.774 9.258 0.538 3.86 4.18
0.845 9.321 0.572 4.50
도 8는 실험예 4-1 내지 4-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
실험예 5-1. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-1에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 1,8-다아이오도옥탄(DIO: 1,8-diiodooctane)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 5-2. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-2에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 1,8-다아이오도옥탄(DIO: 1,8-diiodooctane)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-2와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 5-3. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-3에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 1,8-다아이오도옥탄(DIO: 1,8-diiodooctane)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-3과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 5-4. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-4에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 1,8-다아이오도옥탄(DIO: 1,8-diiodooctane)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-4와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실험예 5-1 내지 5-4에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 6에 그 결과를 나타내었다.
rpm Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)		 평균 η
(%)
실험예 5-1 700 0.805 15.862 0.524 6.69 6.59
0.802 15.690 0.516 6.49
실험예 5-2 1000 0.813 15.266 0.611 7.59 7.49
0.810 15.007 0.607 7.38
실험예 5-3 1500 0.821 14.728 0.665 8.04 7.97
0.818 14.671 0.658 7.89
실험예 5-4 2000 0.829 13.532 0.660 7.40 7.54
0.823 13.666 0.682 7.67
도 9는 실험예 5-1 내지 5-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
실험예 6-1. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-1에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 다이페닐에테르 (DPE:diphenylether)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 6-2. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-2에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 다이페닐에테르 (DPE:diphenylether)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-2와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 6-3. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-3에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 다이페닐에테르 (DPE:diphenylether)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-3과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 6-4. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-4에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 다이페닐에테르 (DPE:diphenylether)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-4와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실험예 6-1 내지 6-4에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 7에 그 결과를 나타내었다.
rpm Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)		 평균 η
(%)
실험예 6-1 700 0.796 15.534 0.468 5.78 5.77
0.792 15.447 0.471 5.76
실험예 6-2 1000 0.806 15.246 0.577 7.10 7.14
0.803 15.222 0.586 7.17
실험예 6-3 1500 0.816 15.116 0.650 8.01 8.06
0.813 15.383 0.649 8.11
실험예 6-4 2000 0.818 14.044 0.673 7.74 7.68
0.816 13.861 0.672 7.61
도 10는 실험예 6-1 내지 6-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
실험예 7-1. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-1에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 1-클로로나프탈렌(1-CN: 1-chloronaphthalene)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 7-2. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-2에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 1-클로로나프탈렌(1-CN: 1-chloronaphthalene)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-2와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 7-3. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-3에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 1-클로로나프탈렌(1-CN: 1-chloronaphthalene)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-3과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예 7-4. 유기 태양 전지의 제조
상기 실험예 2-4에서 중합체 1과 PC71BM 의 복합 용액에 1-클로로나프탈렌(1-CN: 1-chloronaphthalene)을 3 vol% 첨가한 것을 제외하고, 실험예 2-4와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실험예 7-1 내지 7-4에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 8에 그 결과를 나타내었다.
rpm Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)		 평균η
(%)
실험예 7-1 700 0.802 15.793 0.563 7.13 6.93
0.790 15.729 0.541 6.72
실험예 7-2 1000 0.805 14.977 0.625 7.53 7.67
0.807 15.231 0.635 7.81
실험예 7-3 1500 0.824 14.690 0.655 7.93 7.87
0.811 14.484 0.665 7.81
실험예 7-4 2000 0.818 12.839 0.688 7.22 7.27
0.814 13.123 0.685 7.31
도 11는 실험예 7-1 내지 7-4에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
상기 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE(η)는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 충전율(Fill factor)은 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다. 상기 표 2 내지 8 및 도 5 내지 11의 결과로 본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 높은 광-전 변환효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
101: 기판
102: 제1 전극
103: 정공수송층
104: 광활성층
105: 제2 전극

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 및
    하기 화학식 2로 표시되는 제2 단위를 포함하는 중합체:
    [화학식 1]
    Figure pat00067

    [화학식 2]
    Figure pat00068

    상기 화학식 1 및 2에 있어서,
    d1, d2, x 및 x'는 각각 1 또는 2 이며,
    상기 d1, d2, x 및 x'가 각각 2인 경우, 괄호 내의 구조는 서로 같거나 상이하고,
    X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이며,
    Y1 내지 Y4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR", N, SiR", P 또는 GeR"이고,
    X 및 X'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 S 또는 Se 이며,
    Ar1 및 Ar2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이고,
    R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 분지쇄의 알킬기이며,
    G1 및 G2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이고,
    R, R' 및 R"는 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며,
    D1 및 D2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 구조 중에서 선택되는 어느 하나이고,
    Figure pat00069

    상기 구조에 있어서,
    X", X"' 및 X""는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 S 또는 Se이며,
    Y 및 Y'는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR"', N, SiR"', P 또는 GeR"'이고,
    G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이며,
    R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며,
    g는 0 또는 1이다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위는 하기 화학식 1-1로 표시되는 것인 중합체:
    [화학식 1-1]
    Figure pat00070

    상기 화학식 1-1에 있어서,
    Ar1, Ar2 및 D1은 상기 화학식 1에서 정의한 바와 동일하다.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 하기 화학식 2-1로 표시되는 것인 중합체:
    [화학식 2-1]
    Figure pat00071

    상기 화학식 2-1에 있어서,
    R1, R2, G1, G2 및 D2는 화학식 2에서 정의한 바와 동일하다.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위는 하기 화학식 1-2 내지 1-5 중 어느 하나로 표시되는 것인 중합체:
    [화학식 1-2]
    Figure pat00072

    [화학식 1-3]
    Figure pat00073

    [화학식 1-4]
    Figure pat00074

    [화학식 1-5]
    Figure pat00075

    상기 화학식 1-2 내지 1-5에 있어서,
    Ar1 및 Ar2는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 동일하고,
    G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이며,
    R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 하기 화학식 2-2 내지 2-5 중 어느 하나로 표시되는 것인 중합체:
    [화학식 2-2]
    Figure pat00076

    [화학식 2-3]
    Figure pat00077

    [화학식 2-4]
    Figure pat00078

    [화학식 2-5]
    Figure pat00079

    상기 화학식 2-2 내지 2-5에 있어서,
    R1, R2, G1 및 G2는 화학식 2에서 정의한 바와 동일하고,
    G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이며,
    R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 4 또는 5로 표시되는 단위를 포함하는 것인 중합체:
    [화학식 4]
    Figure pat00080

    [화학식 5]
    Figure pat00081

    상기 화학식 4 및 5에 있어서,
    A는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고,
    B는 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위이며,
    l은 몰분율로서 0 < l < 1 이며,
    m은 몰분율로서 0 < m <1 이고,
    l + m = 1이고,
    n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 중합체는 하기 화학식 4-1 내지 4-16 및 5-1 내지 5-16 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함하는 것인 중합체:
    [화학식 4-1]
    Figure pat00082

    [화학식 4-2]
    Figure pat00083

    [화학식 4-3]
    Figure pat00084

    [화학식 4-4]
    Figure pat00085

    [화학식 4-5]
    Figure pat00086

    [화학식 4-6]
    Figure pat00087

    [화학식 4-7]
    Figure pat00088

    [화학식 4-8]
    Figure pat00089

    [화학식 4-9]
    Figure pat00090

    [화학식 4-10]
    Figure pat00091

    [화학식 4-11]
    Figure pat00092

    [화학식 4-12]
    Figure pat00093

    [화학식 4-13]
    Figure pat00094

    [화학식 4-14]
    Figure pat00095

    [화학식 4-15]
    Figure pat00096

    [화학식 4-16]
    Figure pat00097

    [화학식 5-1]
    Figure pat00098

    [화학식 5-2]
    Figure pat00099

    [화학식 5-3]
    Figure pat00100

    [화학식 5-4]
    Figure pat00101

    [화학식 5-5]
    Figure pat00102

    [화학식 5-6]
    Figure pat00103

    [화학식 5-7]
    Figure pat00104

    [화학식 5-8]
    Figure pat00105

    [화학식 5-9]
    Figure pat00106

    [화학식 5-10]
    Figure pat00107

    [화학식 5-11]
    Figure pat00108

    [화학식 5-12]
    Figure pat00109

    [화학식 5-13]
    Figure pat00110

    [화학식 5-14]
    Figure pat00111

    [화학식 5-15]
    Figure pat00112

    [화학식 5-16]
    Figure pat00113

    상기 화학식 4-1 내지 4-16 및 5-1 내지 5-16에 있어서,
    Ar1 및 Ar2는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 동일하고,
    R1, R2, G1 및 G2는 화학식 2에서 정의한 바와 동일하며,
    G11 내지 G18, G101 및 G102는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 불소이고,
    R"'는 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며
    l은 몰분율로서 0 < l < 1 이고,
    m은 몰분율로서 0 < m <1 이며,
    l + m = 1이고,
    n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 5-1-1, 5-5-1, 5-11-1 및 5-16-1 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함하는 것인 중합체:
    [화학식 5-1-1]
    Figure pat00114

    [화학식 5-5-1]
    Figure pat00115

    [화학식 5-11-1]
    Figure pat00116

    [화학식 5-16-1]
    Figure pat00117

    상기 화학식 5-1-1, 5-5-1, 5-11-1 및 5-16-1에 있어서,
    l은 몰분율로서 0 < l < 1 이고,
    m은 몰분율로서 0 < m <1 이며,
    l + m = 1이고,
    n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 중합체의 HOMO 에너지 준위는 5 eV 내지 5.9 eV인 것인 중합체.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 중합체의 수평균 분자량은 5,000 내지 1,000,000 인 것인 중합체.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 중합체의 분자량 분포는 1 내지 10인 것인 중합체.
  12. 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 청구항 1 내지 11 중 어느 하나의 항에 따른 중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하고,
    상기 전자 주개는 상기 중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성하는 것인 유기 태양 전지.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 광활성층은 첨가제를 더 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer)구조이며,
    상기 p형 유기물층은 상기 중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200039339A (ko) * 2018-10-05 2020-04-16 부경대학교 산학협력단 유기태양전지 도너용 공액 저분자 화합물 및 이를 포함하는 유기태양전지
KR20200042173A (ko) * 2018-10-15 2020-04-23 주식회사 엘지화학 중합체, 이를 포함하는 조성물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지
KR102310582B1 (ko) * 2020-04-01 2021-10-08 한국화학연구원 유기 반도체 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013135339A2 (en) * 2012-03-16 2013-09-19 Merck Patent Gmbh Conjugated polymers
KR20140025621A (ko) 2012-08-20 2014-03-05 주식회사 엘지화학 방향족 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양전지
KR20160031958A (ko) * 2014-09-15 2016-03-23 한국화학연구원 신규한 벤조티아디아졸기를 포함한 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 채용한 유기 반도체 소자
KR101612609B1 (ko) * 2013-07-15 2016-04-26 주식회사 엘지화학 공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지
KR20160110199A (ko) * 2015-03-09 2016-09-21 주식회사 엘지화학 중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7244809B2 (en) * 2003-05-16 2007-07-17 Merck Patent Gmbh Mono-, oligo- and polymers comprising dithienothiophene and aryl groups
CN102574991B (zh) 2009-08-28 2014-04-23 新加坡科技研究局 聚合物半导体、装置及相关方法
JP2011246503A (ja) * 2010-05-21 2011-12-08 Jsr Corp 新規重合体及びその中間体
EP2897183B1 (en) 2010-10-22 2020-04-29 Raynergy Tek Inc. Conjugated polymers and their use in optoelectronic devices
KR101099601B1 (ko) 2011-01-13 2011-12-29 한국화학연구원 디티에노티오펜 화합물이 도입된 전도성 고분자 및 그를 광전변환재료로 이용한 유기 태양전지
EP2734527B1 (en) 2011-07-21 2018-01-10 Merck Patent GmbH Conjugated polymers
KR20130090736A (ko) 2012-02-06 2013-08-14 주식회사 엘지화학 헤테로 방향족 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양전지
US9831433B2 (en) * 2013-12-26 2017-11-28 Raynergy Tek Incorporation Conjugated polymers and devices incorporating the same
WO2016062258A1 (en) * 2014-10-22 2016-04-28 The Hong Kong University Of Science And Technology Difluorobithiophene-based donor-acceptor polymers for electronic and photonic applications
KR101736556B1 (ko) 2014-12-24 2017-05-16 주식회사 엘지화학 유-무기 하이브리드 태양 전지
KR101807870B1 (ko) 2015-01-20 2017-12-12 한국화학연구원 신규한 유기반도체 화합물 및 이를 이용한 유기 전자 소자

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013135339A2 (en) * 2012-03-16 2013-09-19 Merck Patent Gmbh Conjugated polymers
KR20140025621A (ko) 2012-08-20 2014-03-05 주식회사 엘지화학 방향족 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양전지
KR101612609B1 (ko) * 2013-07-15 2016-04-26 주식회사 엘지화학 공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지
KR20160031958A (ko) * 2014-09-15 2016-03-23 한국화학연구원 신규한 벤조티아디아졸기를 포함한 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 채용한 유기 반도체 소자
KR20160110199A (ko) * 2015-03-09 2016-09-21 주식회사 엘지화학 중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Efficiencies via Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions(G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270, 1789. (1995))
Two-layer organic photovoltaic cell(C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1996))

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200039339A (ko) * 2018-10-05 2020-04-16 부경대학교 산학협력단 유기태양전지 도너용 공액 저분자 화합물 및 이를 포함하는 유기태양전지
KR20200042173A (ko) * 2018-10-15 2020-04-23 주식회사 엘지화학 중합체, 이를 포함하는 조성물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지
KR102310582B1 (ko) * 2020-04-01 2021-10-08 한국화학연구원 유기 반도체 화합물 및 이를 포함하는 유기 전자 소자

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