KR20190117086A - 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 화학식 1로 표시되는 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.

Description

화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지{COMPOUND AND ORGANIC SOLAR CELL COMPRISING THE SAME}
본 명세서는 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
유기 태양 전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 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 중요한데, 기존의 전자 받개(acceptor) 물질인 플러렌(fullerene)계 화합물은 구형 구조로, 평판 구조인 전자 주개(donor) 물질과 상분리가 일어나고, 가시광 영역에서 낮은 흡수율을 가지며 열적 안정성이 낮다는 등의 문제점이 있다.
이에 따라, 최근 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 전자 받개 물질로 사용한 유기 태양 전지의 예가 많이 발표되고 있으며, 특히 다양한 분자 설계 및 합성이 가능한 저분자 전자 받개 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Two-layer organic photovoltaic cell(C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1986))
본 명세서는 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에 있어서,
k는 1 내지 10의 정수이고,
Pull1은 전자 끌개(electron-withdrawing)로 작용하는 기이며,
L1은 하기 구조이고,
Figure pat00002
상기 구조에 있어서
Figure pat00003
는 다른 치환기 또는 결합부에 결합되는 부위이고,
m1, m3, m4 및 m6는 0 또는 1의 정수이며,
m2 및 m5는 각각 0 내지 3의 정수이고,
Y1 내지 Y10은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이고,
R1 내지 R4, R 및 R'은 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 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 상기 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물은 밴드갭의 감소 및 빛의 흡수량의 증가의 효과를 가질 수 있다. 이에 따라, 유기 태양 전지에 적용시, 높은 전류값(Isc)을 나타냄에 따라, 우수한 효율을 나타낼 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물은 높은 효율의 구현과 동시에 안정성이 우수하다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
도 2는 화합물 A-1의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 3은 화합물 B-1의 MS 측정 결과를 나타낸 도이다.
도 4는 화합물 B-2의 MS 측정 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 화합물 1-1의 MS 측정 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 본 명세서의 일 실시상태에서 제조된 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
이하 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.
상기 화합물은 안트라센을 기준으로 사다리형(ladder type)의 판상구조인 링커(linker)가 꺾여있는 구조를 가지므로, 억셉터로 적용시 구형의 플러렌 유도체에 비하여 도너와의 상분리가 억제된다. 이에 따라, 소자 안정성 증가뿐만 아니라, 판상의 방향이 여러 방향으로 배향될 수 있어 전하의 이동을 향상시킬 수 있다.
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 명세서에 있어서 치환기의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서,
Figure pat00004
는 다른 치환기 또는 결합부에 결합되는 부위를 의미한다.
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, 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, 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, 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 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 k는 1 내지 10의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 k는 2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 내지 화학식 1-4 중 어느 하나로 표시된다.
[화학식 1-1]
Figure pat00005
[화학식 1-2]
Figure pat00006
[화학식 1-3]
Figure pat00007
[화학식 1-4]
Figure pat00008
상기 화학식 1-1 내지 1-4에 있어서,
Pull1 및 Pull2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 전자 끌개로 작용하는 기이고,
L1 및 L2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 구조이고,
Figure pat00009
상기 구조에 있어서
Figure pat00010
는 다른 치환기 또는 결합부에 결합되는 부위이고,
m1, m3, m4 및 m6는 0 또는 1의 정수이며,
m2 및 m5는 각각 0 내지 3의 정수이고,
Y1 내지 Y10은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이고,
R1 내지 R4, R 및 R'은 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1의 k가 2일 경우, 상기 화학식 1은 상기 화학식 1-1 내지 화학식 1-4 중 어느 하나로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1의 m1 내지 m6가 0일 경우, 상기 L1은
Figure pat00011
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1의 m2, m3, m4 및 m5가 0이고, m1 및 m6가 1인 경우, 상기 L1은
Figure pat00012
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1의 m1, m3, m4 및 m6가 0이고, m2 및 m5가 1인 경우, 상기 L1은
Figure pat00013
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1의 m3 및 m4가 0이고, m1, m2, m5 및 m6가 1인 경우, 상기 L1은
Figure pat00014
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1의 m3 및 m4가 1이고, m1, m2, m5 및 m6가 0인 경우, 상기 L1은
Figure pat00015
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1의 m1, m3, m4 및 m6가 1이고, m2 및 m5가 0인 경우, 상기 L1은
Figure pat00016
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1의 m2, m3, m4 및 m5가 1이고, m1 및 m6가 0인 경우, 상기 L1은
Figure pat00017
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1의 m1 내지 m6가 모두 1인 경우, 상기 L1은
Figure pat00018
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1은 하기 구조 중 어느 하나이다.
Figure pat00019
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, L2는 L1과 서로 같거나 상이하고, 하기 구조 중 어느 하나이다.
Figure pat00020
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1 및 L2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로
Figure pat00021
또는
Figure pat00022
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 2-1 또는 2-2로 표시된다.
[화학식 2-1]
Figure pat00023
[화학식 2-2]
Figure pat00024
상기 화학식 2-1 및 2-2에 있어서,
Pull1 및 Pull2는 전자 끌개로 작용하는 기이며,
Y1, Y2, Y9, Y10, Y1', Y2', Y9' 및 Y10'는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이고,
R1 내지 R4, R1' 내지 R4', R 및 R'은 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1-1의 L1 및 L2에서, m1 및 m6가 1이고, m2, m3, m4 및 m5가 0인 경우, 화학식 1-1은 화학식 2-1로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1-1의 L1 및 L2에서, m1 내지 m6가 0인 경우, 화학식 1-1은 화학식 2-2로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R4는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R4는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 페닐기; 또는 치환 또는 비치환된 티오펜기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R4는 알킬기로 치환된 페닐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R4는 알킬기로 치환된 티오펜기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1 및 L2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 구조 중 어느 하나이다.
Figure pat00025
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 3-1 내지 3-3 중 어느 하나로 표시된다.
[화학식 3-1]
Figure pat00026
[화학식 3-2]
Figure pat00027
[화학식 3-3]
Figure pat00028
상기 화학식 3-1 내지 3-3에 있어서,
Pull1 및 Pull2는 전자 끌개로 작용하는 기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Pull1은 하기 구조 중 어느 하나이다.
Figure pat00029
상기 구조에 있어서,
a, b 및 c는 각각 1 내지 4의 정수이고,
a, b 및 c가 각각 2 이상일 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하며,
R10 내지 R18은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Pull2는 상기 Pull1과 같거나 상이하고, 하기 구조 중 어느 하나이다.
Figure pat00030
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Pull1 및 Pull2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로
Figure pat00031
이다.
상기 구조에 있어서, b는 1 내지 4의 정수이고, R17은 수소, 할로겐기 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 b는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 b는 2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R17은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R17은 할로겐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R17은 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R17은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R17은 탄소수 1 내지 10의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R17은 메틸기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 구조 중 어느 하나이다.
Figure pat00032
Figure pat00033
Figure pat00034
본 명세서의 일 실시상태는, 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 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 주개층을 통하여 애노드로 수송된다.
도 1은 기판(101), 제1 전극(102), 정공수송층(103), 광활성층(104) 및 제2 전극(105)을 포함하는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
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 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 광활성층은 상기 화합물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 받개는 상기 화합물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 정공주입층, 정공수송층, 정공차단층, 전하발생층, 전자차단층, 전자주입층 및 전자수송층으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 유기물층을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 제2 전극은 캐소드이다. 본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 제2 전극은 애노드이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기 태양 전지는 기판, 캐소드, 광활성층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있고, 기판, 애노드, 광활성층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 노멀(Normal)구조이다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 노멀 구조인 경우, 상기 유기 태양전지는 기판, 제1 전극, 정공수송층, 광활성층을 포함하는 유기물층, 전자수송층 및 제2 전극이 순차적으로 구비된 구조 수 있다. 이때, 상기 광활성층과 제2 전극 사이에 정공수송층이 추가적으로 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 인버티드(Inverted) 구조이다. 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 인버티드 구조인 경우, 상기 유기 태양 전지는 기판, 제1 전극, 전자수송층, 광활성층을 포함하는 유기물층, 정공수송층 및 제2 전극이 순차적으로 구비된 구조일 수 있다.
명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개는 당 기술 분야에서 적용되는 물질을 사용할 수 있으며, 예컨대, 폴리 3-헥실 티오펜(P3HT: poly 3-hexyl thiophene), PCDTBT(poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4'-7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-5,5-(4,7-bis(thiophene-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole)]), PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), PSiF-DBT(Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole]), PTB7-Th(Poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2-6-diyl)]) 및 PBDBT(poly(benzodithiophene-benzotriazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성한다. 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질은 1:10 내지 10:1의 비율(w/w)로 혼합될 수 있다. 구체적으로, 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질은 1:1 내지 1:10의 비율(w/w)로 혼합될 수 있으며, 더 구체적으로, 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질은 1:1 내지 1:5의 비율(w/w)로 혼합될 수 있다. 필요에 따라, 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질은 1:1 내지 1:3의 비율(w/w)로 혼합될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer) 구조이며, 상기 n형 유기물층은 상기 화합물을 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 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℃ 내지 150℃에서 1분 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 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 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.
상기 화합물의 제조 방법 및 이를 포함하는 유기 태양 전지의 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. 화합물 1의 제조
(1) 화합물 A-1의 제조
Figure pat00035
화합물 A(4.00g, 11.91mmol), 비스(피나코라토)디브론(bis(pinacolato)diboron)(7.62g, 30.00mmol), 팔라듐(II)아세테이트(Palladium(II) acetate, Pd(OAc)2)(0.15g, 0.71mmol), 포타슘아세테이트(potassium acetate, PoAc)(7.00g, 71.4mmol) 및 디메틸포름아마이드(DMF) 35mL를 플라스크에 넣고, 질소 충전하고 70℃에서 18시간 동안 반응하였다. 상온으로 냉각시킨 다음 생성물을 메틸렌클로라이드(MC)로 추출한 후 물로 충분히 세척하였다. 추출된 유기물을 무수 황산마그네슘(anhydrous MgSO4)을 이용하여 건조하였다. 그 후 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피(헥세인:에틸아세테이트=20:1 (용리액))로 정제하여 화합물 A-1을 1.86g 얻었다. (수율: 36.3%) GC-MS: 430.2
도 2는 화합물 A-1의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
(2) 화합물 B-1의 제조
Figure pat00036
염화포스포릴(POCl3)(0.56ml, 6mmol)을 0.54mL의 디메틸포름아미드(DMF)에 넣고 1시간 동안 교반하였다. 화합물 B(5.13g, 5.0mmol)를 50mL의 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethan, DCE)에 녹인 후, 상기 POCl3 용액을 상온에서 주입하고, 5시간 동안 교반하였다. 생성물을 메틸렌클로라이드(MC)로 추출한 후 물로 충분히 세척하였다. 추출된 유기물을 무수 황산마그네슘(anhydrous MgSO4)을 이용하여 건조하였다. 그 후 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피(헥세인:디클로로메탄=1:1 (용리액))로 정제하여 화합물을 B-1을 2.56g 얻었다. (수율: 48.7%) MALDI-TOF MS: 1046.5
도 3은 화합물 B-1의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
(3) 화합물 B-2의 제조
Figure pat00037
화합물 B-1(2.7g, 2.58mmol)을 50mL 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹인 용액에 n-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide, NBS)(0.5g, 2.81mmol)을 주입한 후 12시간동안 교반하였다. 생성물을 메틸렌클로라이드(MC)로 추출한 후 물로 충분히 세척하였다. 추출된 유기물을 무수 황산마그네슘(anhydrous MgSO4)을 이용하여 건조하였다. 그 후 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피(헥세인:디클로로메탄=1:1 (용리액))로 정제하여 화합물 B-2를 2.8g 얻었다. (수율: 96.3%) MALDI-TOF MS: 1124.4
도 4는 화합물 B-2의 MS 측정 결과를 나타낸 도이다.
(4) 화합물 1-1의 제조
Figure pat00038
화합물 A-1(0.28g, 0.67mmol), 화합물 B-1(1.70g, 1.51mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)(0.031g, 0.27mmol), 2M 탄산칼륨(K2CO3)(4mL, 8mmol) 및 테트라하이드로퓨란(THF)(16mL)를 플라스크에 넣고, 질소 충전하고 70℃에서 24시간 동안 반응하였다. 상온으로 냉각시킨 다음 생성물을 메틸렌클로라이드(MC)로 추출한 후 물로 충분히 세척하였다. 추출된 유기물을 무수 황산마그네슘(anhydrous MgSO4)을 이용하여 건조하였다. 그 후 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피(헥세인:디클로로메탄=1:1 (용리액))로 정제하여 화합물 1-1을 1.2g 얻었다. (수율: 78.9%) MALDI-TOF MS: 2267.2
도 5는 화합물 1-1의 MS 측정 결과를 나타낸 도이다.
(5) 화합물 1의 제조
Figure pat00039
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 1-1(0.45g, 0.20mmol) 및 화합물 E(0.38g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 410mg의 화합물 1을 얻었다. (수율: 78%) (MALDI-TOF MS: 2618.8g/mol)
제조예 2. 화합물 2의 제조
Figure pat00040
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 1-1(0.45g, 0.20mmol) 및 화합물 F(0.46g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 370mg의 화합물 2를 얻었다. (수율: 69%) (MALDI-TOF MS: 2690.9g/mol)
제조예 3. 화합물 3의 제조
Figure pat00041
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 1-1(0.45g, 0.20mmol) 및 화합물 G(0.42g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 372mg의 화합물 3을 얻었다. (수율: 70%) (MALDI-TOF MS: 2655.1g/mol)
제조예 4. 화합물 4의 제조
Figure pat00042
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 1-1(0.45g, 0.20mmol) 및 화합물 H(0.41g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 425mg의 화합물 4를 얻었다. (수율: 80%) (MALDI-TOF MS: 2647.3g/mol)
제조예 5. 화합물 5의 제조
(1) 화합물 5-1의 제조
Figure pat00043
화합물 A-1(0.28g, 0.67mmol), 화합물 C-1(1.74g, 1.51mmol), Pd(pph3)4 (0.031g, 0.27mmol), 2M K2CO3(4mL, 8mmol) 및 THF(16mL)를 플라스크에 넣고, 질소 충전하고 70℃에서 24시간 동안 반응하였다. 상온으로 냉각시킨 다음 생성물을 메틸렌클로라이드(MC)로 추출한 후 물로 충분히 세척하였다. 추출된 유기물을 무수 황산마그네슘(anhydrous MgSO4)을 이용하여 건조하였다. 그 후 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피(헥세인:디클로로메탄=1:1 (용리액))로 정제하여 화합물 5-1을 0.94g 얻었다. (수율: 60.5%) MALDI-TOF MS: 2314.3
(2) 화합물 5의 제조
Figure pat00044
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 5-1(0.46g, 0.20mmol) 및 화합물 E(0.39g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 380mg의 화합물 5를 얻었다. (수율: 71%) (MALDI-TOF MS: 2667.1g/mol)
제조예 6. 화합물 6의 제조
Figure pat00045
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 5-1(0.46g, 0.20mmol) 및 화합물 F(0.46g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 430mg의 화합물 6을 얻었다. (수율: 78%) (MALDI-TOF MS: 2738.9g/mol)
제조예 7. 화합물 7의 제조
Figure pat00046
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 5-1(0.46g, 0.20mmol) 및 화합물 G(0.42g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 395mg의 화합물 7을 얻었다. (수율: 73%) (MALDI-TOF MS: 2702.4g/mol)
제조예 8. 화합물 8의 제조
Figure pat00047
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 5-1(0.41g, 0.20mmol) 및 화합물 H(0.42g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 410mg의 화합물 8을 얻었다. (수율: 76%) (MALDI-TOF MS: 2694.3g/mol)
제조예 9.
(1) 화합물 9-1의 제조
Figure pat00048
화합물 A-1(0.28g, 0.67mmol), 화합물 D-1(1.53g, 1.51mmol), Pd(pph3)4 (0.031g, 0.27mmol), 2M K2CO3(4mL, 8mmol) 및 THF(16mL)를 플라스크에 넣고, 질소 충전하고 70℃에서 24시간 동안 반응하였다. 상온으로 냉각시킨 다음 생성물을 메틸렌클로라이드(MC)로 추출한 후 물로 충분히 세척하였다. 추출된 유기물을 무수 황산마그네슘(anhydrous MgSO4)을 이용하여 건조하였다. 그 후 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피(헥세인:디클로로메탄=1:1 (용리액))로 정제하여 화합물 9-1을 0.97g 얻었다. (수율: 70.8%) MALDI-TOF MS: 2042.8
(2) 화합물 9의 제조
Figure pat00049
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 9-1(0.409g, 0.20mmol) 및 화합물 E(0.39g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 432mg의 화합물 9를 얻었다. (수율: 90%) (MALDI-TOF MS: 2395.2g/mol)
제조예 10. 화합물 10의 제조
Figure pat00050
질소(N2) 분위기 하에서 20mL의 클로로포름(CHCl3)에 화합물 10-1(0.418g, 0.20mmol) 및 화합물 E(0.39g, 2.0mmol)가 혼합된 용액에 2mL의 피리딘(pyridine)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 질소 분위기 하에서 24시간 동안 환류(reflux)시킨 후, 디클로로메테인(dichloromethane, CH2Cl2)으로 추출하고, 물로 세척하였다. 용매 제거 후에, 메틸클로라이드(methyl chloride, MC)/메탄올을 통하여 재결정화하고, 생성물을 헥세인(hexane), 아세트산에틸(ethyl acetate), 클로로포름(CHCl3)을 용리액으로 사용하는 실리카 겔 컬럼(silica gel column)을 이용한 크로마토그래피(chromatography)를 통하여 정제하였다. 생성된 고체는 클로로포름을 통하여 재결정화 되었다. 그 후, 메탄올로 세척하고 진공조건에서 건조하여 381mg의 화합물 10을 얻었다. (수율: 78%) (MALDI-TOF MS: 2442.6g/mol)
실시예 1.
상기 제조예 1에서 제조한 화합물 1과 하기 구조의 화합물 Z를 1:1로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composite solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양 전지는 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 ZnO 전구체 용액을 스핀 코팅하여 120℃에서 10분 동안 열처리하였다. 그 후 상기 화합물 1 및 화합물 Z의 복합 용액을 0.45㎛ PTFE 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀 코팅하여 광활성층을 형성하였다. 그 후 상기 광활성층 상에 열증착기에서 MoO3를 0.4Å/s의 속도로 5nm 내지 20nm의 두께로 증착하여 정공수송층을 제조하였다. 상기 정공수송층 상에 열증착기 내부에서 Ag를 1Å/s의 속도로 100nm 두께로 증착하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
Figure pat00051
실시예 2.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 3.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 4.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 4를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 5.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 5를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 6.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 6을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 7.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 7을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 8.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 8을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 9.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 9를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 10.
상기 실시예 1에서 화합물 1 대신 화합물 10을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 10에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
광활성층 물질 VOC
(V)		 JSC
(mA/cm2)		 FF
(%)		 PCE
(%)
실시예 1 화합물 1:화합물 Z = 1:1 0.884 10.45 57.1 5.27
실시예 2 화합물 2:화합물 Z = 1:1 0.902 9.81 53.7 4.75
실시예 3 화합물 3:화합물 Z = 1:1 0.875 10.28 54.5 4.90
실시예 4 화합물 4:화합물 Z = 1:1 0.897 11.57 48.6 5.04
실시예 5 화합물 5:화합물 Z = 1:1 0.892 10.29 48.4 4.45
실시예 6 화합물 6:화합물 Z = 1:1 0.885 11.47 47.8 4.85
실시예 7 화합물 7:화합물 Z = 1:1 0.915 11.75 45.8 4.92
실시예 8 화합물 8:화합물 Z = 1:1 0.886 10.49 50.2 4.66
실시예 9 화합물 9:화합물 Z = 1:1 0.921 11.15 60.4 6.20
실시예 10 화합물 10:화합물 Z = 1:1 0.925 10.57 58.4 5.71
상기 실시예 1, 5 및 9에서 제조된 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 도 6에 나타내었다.
상기 표 1 및 도 6으로부터, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물을 유기 태양 전지의 광활성층 물질로 적용 가능한 것을 확인할 수 있다.
101: 기판
102: 제1 전극
103: 정공수송층
104: 광활성층
105: 제2 전극

Claims (10)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물:
    [화학식 1]
    Figure pat00052

    상기 화학식 1에 있어서,
    k는 1 내지 10의 정수이고,
    Pull1은 전자 끌개로 작용하는 기이며,
    L1은 하기 구조이고,
    Figure pat00053

    상기 구조에 있어서
    Figure pat00054
    는 다른 치환기 또는 결합부에 결합되는 부위이고,
    m1, m3, m4 및 m6는 0 또는 1의 정수이며,
    m2 및 m5는 각각 0 내지 3의 정수이고,
    Y1 내지 Y10은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이고,
    R1 내지 R4, R 및 R'은 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 내지 화학식 1-4 중 어느 하나로 표시되는 것인 화합물:
    [화학식 1-1]
    Figure pat00055

    [화학식 1-2]
    Figure pat00056

    [화학식 1-3]
    Figure pat00057

    [화학식 1-4]
    Figure pat00058

    상기 화학식 1-1 내지 1-4에 있어서,
    Pull1 및 Pull2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 전자 끌개로 작용하는 기이고,
    L1 및 L2는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 구조이고,
    Figure pat00059

    상기 구조에 있어서
    Figure pat00060
    는 다른 치환기 또는 결합부에 결합되는 부위이고,
    m1, m3, m4 및 m6는 0 또는 1의 정수이며,
    m2 및 m5는 각각 0 내지 3의 정수이고,
    Y1 내지 Y10은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이고,
    R1 내지 R4, R 및 R'은 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 L1은 하기 구조 중 어느 하나인 것인 화합물:
    Figure pat00061

    상기 구조에 있어서
    Figure pat00062
    는 다른 치환기 또는 결합부에 결합되는 부위이고,
    Y1 내지 Y10은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이고,
    R1 내지 R4, R 및 R'은 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 Pull1은 하기 구조 중 어느 하나인 것인 화합물:
    Figure pat00063

    상기 구조에 있어서,
    a, b 및 c는 각각 1 내지 4의 정수이고,
    a, b 및 c가 각각 2 이상일 경우, 괄호 안의 구조는 서로 같거나 상이하며,
    R10 내지 R18은 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 2-1 또는 2-2로 표시되는 것인 화합물:
    [화학식 2-1]
    Figure pat00064

    [화학식 2-2]
    Figure pat00065

    상기 화학식 2-1 및 2-2에 있어서,
    Pull1 및 Pull2는 전자 끌개로 작용하는 기이며,
    Y1, Y2, Y9, Y10, Y1', Y2', Y9' 및 Y10'는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 또는 Te이고,
    R1 내지 R4, R1' 내지 R4', R 및 R'은 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 3-1 내지 3-3 중 어느 하나로 표시되는 것인 화합물:
    [화학식 3-1]
    Figure pat00066

    [화학식 3-2]
    Figure pat00067

    [화학식 3-3]
    Figure pat00068

    상기 화학식 3-1 내지 3-3에 있어서,
    Pull1 및 Pull2는 전자 끌개로 작용하는 기이다.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 구조 중 어느 하나인 것인 화합물:
    Figure pat00069

    Figure pat00070

    Figure pat00071
  8. 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 7 중 어느 하나의 항에 따른 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고,
    상기 전자 받개는 상기 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 유기 태양 전지는 정공주입층, 정공수송층, 정공차단층, 전하발생층, 전자차단층, 전자주입층 및 전자수송층으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 유기물층을 더 포함하는 것인 유기 태양 전지.
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