KR20180124720A - 광활성층 및 이를 포함하는 유기태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 주개는 단분자 물질; 및 고분자 물질을 포함하며, 상기 전자 주개의 함량이 전자 받개의 함량보다 많으며, 상기 전자 주개 중 단분자 물질의 함량은 상기 고분자 물질의 함량보다 많은 것인 광활성층 및 이를 포함하는 유기태양전지를 제공한다.

Description

광활성층 및 이를 포함하는 유기태양전지{PHOTOACTIVE LAYER AND ORGANIC SOLAR CELL COMPRISING THE SAME}
본 출원은 2017년 05월 11일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2017-0058710호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 광활성층 및 이를 포함하는 유기태양전지에 관한 것이다.
유기태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기태양전지로 나뉠 수 있다. 전형적인 태양 전지는 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 태양 전지에 들어간 태양전력의 비로 정의되며, 현재 표준화된 가상 태양 조사 조건으로 측정 시 24%정도까지 달성되었다. 그러나 종래 무기 태양 전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기물 반도체 태양 전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 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.
Two-layer organic photovoltaic cell(C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1986)) 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 광활성층 및 이를 포함하는 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 전자 주개; 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 주개는 단분자 물질; 및 고분자 물질을 포함하며, 상기 전자 주개의 함량이 상기 전자 받개의 함량보다 많으며, 상기 전자 주개 중 단분자 물질의 함량은 상기 고분자 물질의 함량보다 많은 것인 광활성층을 제공한다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되고, 상기 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 광활성층의 전자 주개로 재연성 및 공정이 간편한 단분자 물질과 효율이 우수한 고분자 물질을 동시에 사용함으로써, 효율과 안정성 및 공정성 등에서 우수한 특성을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지를 나타낸 도이다.
도 2는 제조된 고분자에 대한 겔 투과 크로마토그래피 (GPC: Gel Permeation Chromatography)를 나타낸 도이다.
도 3은 본 명세서의 실시예 및 비교예에서 제조된 유기태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 도이다.
도 4는 본 명세서의 비교예 1에서 제조된 유기태양전지의 시간에 따른 VOC, JSC, FF 및 효율변화를 나타낸 도이다.
도 5는 본 명세서의 실시예 1에서 제조된 유기태양전지의 시간에 따른 VOC, JSC, FF 및 효율변화를 나타낸 도이다.
도 6은 본 명세서의 실시예 2에서 제조된 유기태양전지의 시간에 따른 VOC, JSC, FF 및 효율변화를 나타낸 도이다.
이하 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서에 있어서, 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 명세서에 있어서, 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 명세서에서 상기 "괄호 내 구조"는 ( )안에 포함되는 구조를 의미한다.
본 명세서에 있어서 "단위"란 공중합체의 단량체에 포함되는 반복되는 구조로서, 단량체가 중합에 의하여 공중합체 내에 결합된 구조를 의미한다.
본 명세서에 있어서 "단위를 포함"의 의미는 중합체 내의 주쇄에 포함된다는 의미이다.
본 명세서의 일 실시상태는 전자 주개; 및 전자 받개를 포함하고,
상기 전자 주개는 단분자 물질; 및 고분자 물질을 포함하며,
상기 전자 주개의 함량이 상기 전자 받개의 함량보다 많으며,
상기 전자 주개 중 단분자 물질의 함량은 상기 고분자 물질의 함량보다 많은 것인 광활성층을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개의 함량이 전자 받개의 함량보다 많을 경우, 효율이 상승되는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 중 단분자 물질의 함량이 고분자 물질의 함량보다 많을 경우, 효율이 상승하는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 함량의 차이는 중량의 차이를 의미할 수 있다.
본 명세서에 있어서, “고분자”는 같은 구조가 반복된 중합체를 의미한다. 즉, 반복단위가 존재하는 중합체를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 물질의 수평균 분자량은 2,000g/mol 내지 30,000,000g/mol이다. 구체적으로, 상기 고분자 물질의 수평균 분자량은 10,000g/mol 내지 3,000,000g/mol이다. 보다 구제적으로, 상기 고분자 물질의 수평균 분자량은 10,000g/mol 내지 100,000g/mol이다.
본 명세서에 있어서, “단분자”는 반복단위 없이 하나의 구조로 이루어진 물질을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 단분자 물질의 분자량은 1,000g/mol 내지 10,000,000g/mol이다. 구체적으로, 상기 단분자 물질의 분자량은 1,000g/mol 내지 9,000g/mol이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개와 전자 받개의 중량비는 10:1 내지 1.1:1일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전자 주개와 전자 받개의 중량비는 5:1 내지 1.1:1일 수 있다.
전자 주개와 전자 받개의 중량비가 상기 범위를 만족할 경우, 효율 및 안정성이 상승되는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 중 단분자 물질의 함량은 전자 주개 중 고분자 물질의 함량보다 많다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 중 단분자 물질과 고분자 물질의 중량비는 30:1 내지 2:1이다. 보다 구체적으로, 상기 전자 주개 중 단분자 물질과 고분자 물질의 중량비는 20:1 내지 5:1이다. 단분자 물질과 고분자 물질의 중량비가 상기 범위를 만족할 경우 효율이 상승하는 효과가 있다.
본 명세서에 있어서 치환기의 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 명세서에 있어서, "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 카르보닐기; 에스테르기; 히드록시기; 알킬기; 시클로알킬기; 알콕시기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 아릴티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 알케닐기; 실릴기; 실록산기; 붕소기; 아민기; 아릴포스핀기; 포스핀옥사이드기; 아릴기; 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 1 또는 2 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 바이페닐기일 수 있다. 즉, 바이페닐기는 아릴기일 수도 있고, 2개의 페닐기가 연결된 치환기로 해석될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 할로겐기는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 이미드기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 30인 것이 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 아미드기는 아미드기의 질소가 수소, 탄소수 1 내지 30의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기로 치환될 수 있다.
본 명세서에서 카르보닐기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 30인 것이 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 에스테르기는 에스테르기의 산소가 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기로 치환될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 30인 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, 4-메틸헥실, 5-메틸헥실 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 30인 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 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 30인 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, 아민기는 -NH2; 알킬아민기; N-아릴알킬아민기; 아릴아민기; N-아릴헤테로아릴아민기; N-알킬헤테로아릴아민기 및 헤테로아릴아민기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 1 내지 30인 것이 바람직하다. 아민기의 구체적인 예로는 메틸아민기, 디메틸아민기, 에틸아민기, 디에틸아민기, 페닐아민기, 나프틸아민기, 바이페닐아민기, 안트라세닐아민기, 9-메틸-안트라세닐아민기, 디페닐아민기, N-페닐나프틸아민기, 디톨릴아민기, N-페닐톨릴아민기, 트리페닐아민기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, N-알킬아릴아민기는 아민기의 N에 알킬기 및 아릴기가 치환된 아민기를 의미한다.
본 명세서에 있어서, N-아릴헤테로아릴아민기는 아민기의 N에 아릴기 및 헤테로아릴기가 치환된 아민기를 의미한다.
본 명세서에 있어서, N-알킬헤테로아릴아민기는 아민기의 N에 알킬기 및 헤테로아릴아민기가 치환된 아민기를 의미한다.
본 명세서에 있어서, 알킬아민기, N-아릴알킬아민기, 알킬티옥시기, 알킬술폭시기, N-알킬헤테로아릴아민기 중의 알킬기는 전술한 알킬기의 예시와 같다. 구체적으로 알킬티옥시기로는 메틸티옥시기, 에틸티옥시기, tert－부틸티옥시기, 헥실티옥시기, 옥틸티옥시기 등이 있고, 알킬술폭시기로는 메실, 에틸술폭시기, 프로필술폭시기, 부틸술폭시기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 30인 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, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 실릴기는 구체적으로 트리메틸실릴기, 트리에틸실릴기, t-부틸디메틸실릴기, 비닐디메틸실릴기, 프로필디메틸실릴기, 트리페닐실릴기, 디페닐실릴기, 페닐실릴기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 붕소기는 -BR100R200일 수 있으며, 상기 R100 및 R200은 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐; 니트릴기; 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 단환 또는 다환의 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기; 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 단환 또는 다환의 아릴기; 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 단환 또는 다환의 헤테로아릴기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 포스핀옥사이드기는 구체적으로 디페닐포스핀옥사이드기, 디나프틸포스핀옥사이드 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴기는 단환식 또는 다환식일 수 있다.
상기 아릴기가 단환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 30인 것이 바람직하다. 구체적으로 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아릴기가 다환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나. 탄소수 10 내지 30인 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 pat00001
,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
및
Figure pat00004
등이 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴옥시기, 아릴티옥시기, 아릴술폭시기, N-아릴알킬아민기, N-아릴헤테로아릴아민기 및 아릴포스핀기 중의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다. 구체적으로 아릴옥시기로는 페녹시기, p-토릴옥시기, m-토릴옥시기, 3,5-디메틸-페녹시기, 2,4,6-트리메틸페녹시기, p-tert-부틸페녹시기, 3-바이페닐옥시기, 4-바이페닐옥시기, 1-나프틸옥시기, 2-나프틸옥시기, 4-메틸-1-나프틸옥시기, 5-메틸-2-나프틸옥시기, 1-안트릴옥시기, 2-안트릴옥시기, 9-안트릴옥시기, 1-페난트릴옥시기, 3-페난트릴옥시기, 9-페난트릴옥시기 등이 있고, 아릴티옥시기로는 페닐티옥시기, 2－메틸페닐티옥시기, 4－tert－부틸페닐티옥시기 등이 있으며, 아릴술폭시기로는 벤젠술폭시기, p－톨루엔술폭시기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴아민기의 예로는 치환 또는 비치환된 모노아릴아민기, 치환 또는 비치환된 디아릴아민기, 또는 치환 또는 비치환된 트리아릴아민기가 있다. 상기 아릴아민기 중의 아릴기는 단환식 아릴기일 수 있고, 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 아릴기가 2 이상을 포함하는 아릴아민기는 단환식 아릴기, 다환식 아릴기, 또는 단환식 아릴기와 다환식 아릴기를 동시에 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 아릴아민기 중의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 헤테로고리기는 탄소가 아닌 원자, 이종원자를 1 이상 포함하는 것으로서, 구체적으로 상기 이종 원자는 O, N, Se 및 S 등으로 이루어진 군에서 선택되는 원자를 1 이상 포함할 수 있다. 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 30인 것이 바람직하며, 상기 헤테로고리기는 단환식 또는 다환식일 수 있다. 헤테로고리기의 예로는 티오펜기, 퓨라닐기, 피롤기, 이미다졸릴기, 티아졸릴기, 옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 피리딜기, 바이피리딜기, 피리미딜기, 트리아지닐기, 트리아졸릴기, 아크리딜기, 피리다지닐기, 피라지닐기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸리닐기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 피리도 피리미딜기, 피리도 피라지닐기, 피라지노 피라지닐기, 이소퀴놀리닐기, 인돌릴기, 카바졸릴기, 벤즈옥사졸릴기, 벤즈이미다졸릴기, 벤조티아졸릴기, 벤조카바졸릴기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤리닐기(phenanthroline), 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 티아디아졸릴기, 페노티아지닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 헤테로아릴아민기의 예로는 치환 또는 비치환된 모노헤테로아릴아민기, 치환 또는 비치환된 디헤테로아릴아민기, 또는 치환 또는 비치환된 트리헤테로아릴아민기가 있다. 상기 헤테로아릴기가 2 이상을 포함하는 헤테로아릴아민기는 단환식 헤테로아릴기, 다환식 헤테로아릴기, 또는 단환식 헤테로아릴기와 다환식 헤테로아릴기를 동시에 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 헤테로아릴아민기 중의 헤테로아릴기는 전술한 헤테로고리기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 받개는 플러렌 유도체를 포함한다.
본 명세서에 있어서, “플러렌 유도체”는 분자가 카본으로 형성되는 하나 이상의 구형 쉘 구조를 갖는 물질을 의미한다. 예컨대, 구형 쉘 형상의 분자로서 플러렌; 카본 구성 플러렌에 결합되는 무기기 또는 유기기를 갖는 플러렌 유도체; 플러렌 또는 상기 플러렌 유도체를 구성하는 구형 쉘 구조가 직접 또는 하나 이상의 원소를 통하여 결합되는 플러렌 유도체 등이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 플러렌은 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이루어진　축구공 모양으로 연결된 분자를 의미하는 것으로, C60 내지 C90이다. 보다 구체적으로, 상기 플러렌은 C60이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 플러렌 유도체는 PC61BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester), PCBCR(Phenyl-C61-butyric acid cholesteryl ester) 또는 ICBA(1′,1′′,4′,4′′-Tetrahydro-di[1,4]methanonaphthaleno[1,2:2′,3′,56,60:2′′,3′′][5,6]fullerene-C60)이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 받개는 ITIC (3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene)와 같은 플러렌이 아닌 계열의 유기물질도 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 단분자 물질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이다.
[화학식 1]
Figure pat00005
상기 화학식 1에 있어서,
n1 및 n2는 각각 1 내지 3의 정수이고,
n1 및 n2가 2 이상일 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하며,
X1 내지 X7은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te이며,
R1 내지 R8, R 및 R'은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 카르보닐기; 에스테르기; 이미드기; 아미드기; 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 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 아민기; 치환 또는 비치환된 아릴포스핀기; 치환 또는 비치환된 포스핀옥사이드기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R8은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R8은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 30의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R3 및 R4는 각각 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R5 내지 R8은 각각 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X7은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR' 또는 S이고, R 및 R'은 전술한 바와 같다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X7은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 SiRR' 또는 S이고, R 및 R'은 전술한 바와 같다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X7은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 SiRR' 또는 S이고, R 및 R'은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X3 및 X5 내지 X7은 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4는 SiRR'이고, R 및 R'은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4는 SiRR'이고, R 및 R'은 탄소수 1 내지 30의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4는 SiRR'이고, R 및 R'은 탄소수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n1 및 n2는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n1 및 n2는 2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n1 및 n2는 3이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 물질은 하기 화학식 2로 표시되는 단위를 포함하는 공중합체이다.
[화학식 2]
Figure pat00006
상기 화학식 2에 있어서,
l은 몰분율로서, 0 < l ≤ 1인 실수이며,
m은 몰분율로서, 0 < l ≤ 1인 실수이고,
l+m=1이며,
h 및 i는 각각 1 내지 3의 정수이고,
h 및 i가 2 이상인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 동일하거나 상이하며,
n은 1 내지 10,000의 정수이고,
a 및 b는 각각 1 내지 5의 정수이며,
X11 내지 X14는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te이며,
R11 내지 R18, R 및 R'은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 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 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체의 수평균 분자량은 2,000g/mol 내지 30,000,000g/mol이다. 바람직하게는 10,000g/mol 내지 3,000,000g/mol이다. 보다 바람직하게는, 10,000g/mol 내지 100,000g/mol이다
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체는 1 내지 100의 분자량 분포를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 공중합체는 1 내지 3의 분자량 분포를 가진다.
분자량 분포는 낮을수록, 수평균 분자량이 커질수록 전기적 특성과 기계적 특성이 더 좋아지며, 일정 이상의 용해도를 가져서 용액도포법 적용이 유리하도록 하기 위해 상기 공중합체의 수평균 분자량은 100,000g/mol 이하인 것이 바람직하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R11 내지 R18은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R11 내지 R18은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R11 내지 R14는 각각 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R15 및 R16은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R15 및 R16은 각각 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R17 및 R18은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X11 내지 X14는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR' 또는 S이고, R 및 R'은 전술한 바와 같다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X11, X13 및 X14는 각각 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X12는 NR이고, R은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X12는 NR이고, R은 탄소수 1 내지 30의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X12는 NR이고, R은 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 l:m은 0.2:0.8 내지 0.8:0.2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 l:m은 0.4:0.6 내지 0.6:0.4이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 l 및 m은 각각 0.5이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 h 및 i는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n은 2 내지 10,000의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 a는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 b는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 말단기는 수소; 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 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 말단기는 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로 고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 말단기는 4-(트리플루오로메틸)페닐기(4-(trifluoromethyl)phenyl)이다.
본 명세서의 일 실시상태는, 제1 전극;
상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 전술한 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기태양전지는 부가적인 유기물층을 더 포함할 수 있다. 상기 유기태양전지는 여러 기능을 동시에 갖는 유기물을 사용하여 유기물층의 수를 감소시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기태양전지는 제1 전극, 광활성층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 유기태양전지는 기판, 정공수송층 및/또는 전자수송층이 더 포함될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 상기 단분자 물질 및 고분자 물질을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은은 정공수송층, 정공주입층 또는 정공수송과 정공주입을 동시에 하는 층을 더 포함한다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입과 전자수송을 동시에 하는 층을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기태양전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 주개를 통하여 양극으로 수송된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 양극이고, 제2 전극은 음극이다. 본 명세서의 또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 음극이고, 제2 전극은 양극이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기태양전지는 광원을 기준으로, 제1 전극, 광활성층 및 제2 전극 순으로 배열될 수도 있고, 제2 전극, 광활성층 및 제1 전극 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기태양전지는 양극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 음극 순으로 배열될 수도 있고, 음극, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 양극 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성한다.
본 명세서에서 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기태양전지에 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 제1 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 제1 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 제1 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℃~150℃에서 1분~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 제1 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다.
제1 전극을 위한 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.
제1 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 제1 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 제2 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 제2 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-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)), 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) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
광활성층은 전자 주개 및/또는 전자 받개와 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.
상기 광활성층의 제조 방법 및 이를 포함하는 유기태양전지의 제조는 이하 제조예 및 실시예에서 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것이며, 본 명세서의 범위가 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 고분자 중합
Figure pat00007
마이크로 웨이브 리엑터 바이알(Microwave reactor vial)에 클로로벤젠(Chlorobenzene) 13 ml, 2,5-비스(트라이메틸스태닐)싸이오펜 (2,5-Bis(trimethylstannyl)thiophene, 1.2 g, 2.92 mmol), 5,8-다이브로모-2,3-비스(3-(옥틸록시)페닐)퀴녹살린 (5,8-dibromo-2,3-bis(3-(octyloxy)phenyl)quinoxaline, 0.9905 g, 1.46 mmol), 1,3-다이브로모-5-도데실싸이에노[3,4-c]피롤-4,6-다이온 (1,3-Dibromo-5-dodecylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione, 0.7018 g, 1.46 mmol), Pd2(dba)3 (tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0), 80 mg), 트라이-(오-톨릴)포스핀 (tri-(o-tolyl)phosphine, 106 mg)을 넣고 170℃ 조건 하에 1시간 동안 반응 시켰다. 혼합물을 실온까지 냉각하여 메탄올에 부은 후 고체를 걸러 메탄올, 아세톤, 헥산, 클로로폼에 석슐렛 추출(Soxhlet extraction)한 다음, 클로로폼 부분을 다시 메탄올에 침전시켜 고체를 걸러내었다.
수율: 60%
수평균 분자량: 26,300g/mol
무게평균 분자량: 78,300g/mol
도 2는 제조된 고분자에 대한 겔 투과 크로마토그래피 (GPC: Gel Permeation Chromatography)를 나타낸 도이다.
유기태양전지의 제조 및 특성 측정
실시예 1.
하기 구조의 단분자(p-DTS(FBTTH2)2, 1-material사)와 상기 제조예에서 제조된 고분자를 각각 PC71BM과 3:2 중량비로 2.0 wt% 농도로 클로로벤젠젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 제1 및 제2 복합 용액(composite solution)을 제조하였다. 상기 제1 및 제2 복합 용액을 2.85:0.15의 비율로 혼합하여 전체적으로 단분자:고분자:PCBM의 중량 비율이 2.85:0.15:2가 되도록 제3 복합 용액을 제조하였다. 이때, 유기 태양전지는 ITO/ZnO/광활성층/MoO3/Ag의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 ZnO를 스핀코팅하여 230℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 상기 제3 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여, 고진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여, MoO3를 증착하고 그 위에 100nm 두께로 Ag을 증착하여 유기태양전지를 제조하였다.
Figure pat00008
실시예 2.
단분자(p-DTS(FBTTH2)2, 1-material사)와 상기 제조예에서 제조된 고분자를 각각 PCBM과 3:2 중량비로 2.0 wt% 농도로 클로로벤젠젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 제1 및 제2 복합 용액(composit solution)을 제조한 후, 단분자:고분자:PCBM의 중량 비율이 2.70:0.30:2가 되도록 혼합하여 제4 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 제4 복합 용액을 광활성층에 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 1.
단분자(p-DTS(FBTTH2)2, 1-material사) 및 PCBM을 3:2의 중량비로 클로로벤젠젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이를 광활성층에 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 2.
고분자 및 PCBM을 1:2의 중량비로 클로로벤젠젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이를 광활성층에 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 3.
단분자(p-DTS(FBTTH2)2, 1-material사)와 상기 제조예에서 제조된 고분자를 각각 PCBM과 3:2 중량비로 2.0 wt% 농도로 클로로벤젠젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 제1 및 제2 복합 용액(composit solution)을 제조한 후, 단분자:고분자:PCBM의 중량 비율이 0.15:2.85:2가 되도록 혼합하여 제5 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 제5 복합 용액을 광활성층에 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 유기태양전지의 광전변환특성을 100Mw/cm2(AM 1.5) 조건(1SUN 조건)에서 측정하고, 하기 표 1에 그 결과를 나타내었다.
광활성층
(단분자:고분자:전자 받개 중량비)		 PCE
(%)
실시예 1 2.85:0.15:2 6.75
실시예 2 2.70:0.30:2 6.36
비교예 1 3:0:2 5.11
비교예 2 0:1:2 4.75
비교예 3 0.15:2.85:2 1.98
표 1에서 PCE는 에너지 변환 효율을 의미하며, 높은 값일수록 바람직하다.
도 3은 본 명세서의 실시예 및 비교예에서 제조된 유기태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 도이다.
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 유기태양전지의 1SUN 조건에서의 시간에 따른 효율 변화를 측정하고, 노멀라제이션(normalization)하여 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
Time(h) 실시예 1 실시예 2 비교예 1
0 1 1 1
18.5 0.51 0.59 0.43
43.5 0.34 0.45 0.29
78.5 0.22 0.36 0.14
267 0.12 0.18 0.03
1142 0.10 0.17 0.02
도 4는 본 명세서의 비교예 1에서 제조된 유기태양전지의 시간에 따른 VOC, JSC, FF 및 효율변화를 나타낸 도이다. 이때, Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)을 의미한다.
도 5는 본 명세서의 실시예 1에서 제조된 유기태양전지의 시간에 따른 VOC, JSC, FF 및 효율변화를 나타낸 도이다.
도 6은 본 명세서의 실시예 2에서 제조된 유기태양전지의 시간에 따른 VOC, JSC, FF 및 효율변화를 나타낸 도이다.
상기 측정 결과로부터, 전자 주개로 단분자 및 고분자를 동시에 포함하는 경우, 단분자 또는 고분자만 포함하는 경우보다 효율 및 안정성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
101: 기판
102: 제1 전극
103: 정공수송층
104: 광활성층
105: 제2 전극

Claims (9)

  1. 전자 주개; 및 전자 받개를 포함하고,
    상기 전자 주개는 단분자 물질; 및 고분자 물질을 포함하며,
    상기 전자 주개의 함량이 상기 전자 받개의 함량보다 많으며,
    상기 전자 주개 중 단분자 물질의 함량은 상기 고분자 물질의 함량보다 많은 것인 광활성층.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 주개와 전자 받개의 중량비는 10:1 내지 1.1:1인 것인 광활성층.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 주개 중 단분자 물질과 고분자 물질의 중량비는 30:1 내지 2:1인 것인 광활성층.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 받개는 플러렌 유도체를 포함하는 것인 광활성층.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단분자 물질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것인 광활성층:
    [화학식 1]
    Figure pat00009

    상기 화학식 1에 있어서,
    n1 및 n2는 각각 1 내지 3의 정수이고,
    n1 및 n2가 2 이상일 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하며,
    X1 내지 X7은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te이며,
    R1 내지 R8, R 및 R'은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 카르보닐기; 에스테르기; 이미드기; 아미드기; 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 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 아민기; 치환 또는 비치환된 아릴포스핀기; 치환 또는 비치환된 포스핀옥사이드기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 물질은 하기 화학식 2로 표시되는 단위를 포함하는 공중합체인 것인 광활성층:
    [화학식 2]
    Figure pat00010

    상기 화학식 2에 있어서,
    l은 몰분율로서, 0 < l ≤ 1인 실수이며,
    m은 몰분율로서, 0 < l ≤ 1인 실수이고,
    l+m=1이며,
    h 및 i는 각각 1 내지 3의 정수이고,
    h 및 i가 2 이상인 경우, 괄호 안의 구조는 서로 동일하거나 상이하며,
    n은 1 내지 10,000의 정수이고,
    a 및 b는 각각 1 내지 5의 정수이며,
    X11 내지 X14는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te이며,
    R11 내지 R18, R 및 R'은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 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 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  7. 제1 전극;
    상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되고, 청구항 1 내지 6 중 어느 하나의 항에 따른 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기태양전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유기물층은 정공수송층, 정공주입층 또는 정공수송과 정공주입을 동시에 하는 층을 더 포함하는 것인 유기태양전지.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 유기물층은 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입과 전자수송을 동시에 하는 층을 더 포함하는 것인 유기태양전지.
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