KR20200074779A - New compounds for eco-friendly organic electronic device, composition and eco-friendly organic electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 친환경 용매 내에서 공정이 가능한 신규한 화합물 및 이를 포함하는 조성물 및 친환경 유기전자소자를 제공하는 것이다. The present invention provides a novel compound capable of processing in an environmentally friendly solvent, a composition comprising the same, and an environmentally friendly organic electronic device.
유기태양전지 상용화를 위해선 소자의 다양한 안정성(광, 열, 기계, 수분, 산화 등)의 개선이 필요하다. 가볍고 구부릴 수 있다는 장점을 가지는 유기물질을 기반으로 하기 때문에 플렉서블, 웨어러블 디바이스로의 응용 가능성이 매우 높다.In order to commercialize the organic solar cell, it is necessary to improve various stability (light, heat, machine, moisture, oxidation, etc.) of the device. Because it is based on an organic material that has the advantage of being lightweight and bendable, it is highly applicable to flexible and wearable devices.
유기태양전지의 광활성층의 대부분은 할로겐 용매(halogenated solvent)를 사용하여 스핀-코팅을 통해 제작되고 있다. 비-할로겐 용매 중에서 그린 용매(green solvent)라고 일컬어지는 MeTHF 혹은 xylene 등의 용매를 사용한 유기태양전지가 보고되었지만, 이러한 용매는 여전히 유독한 용매이며, 이러한 유독한 용매는 산업 규제로 인하여 유기태양전지 상용화를 위한 대량 생산에는 사용이 어렵다. Most of the photoactive layer of the organic solar cell is produced by spin-coating using a halogenated solvent. Among the non-halogen solvents, organic solar cells using a solvent such as MeTHF or xylene called green solvent have been reported, but these solvents are still toxic solvents, and these toxic solvents are organic solar cells due to industrial regulations. It is difficult to use for mass production for commercialization.
유기태양전지의 상용화를 위해서는 작업자 친화적이면서도, 용매 처리 비용이 저렴하고, 환경에 악영향이 적은 친환경 용매 공정 기반의 친환경 유기태양전지의 개발이 필요하다. 유기태양전지 광활성층에 사용되는 물질은 대부분 유기용매에 녹고, 친환경 용매인 에탄올/물에는 녹지 않기 때문에 애초에 친환경 용매를 이용한 용액 공정이 불가능한 실정이다. In order to commercialize an organic solar cell, it is necessary to develop an eco-friendly organic solar cell based on an eco-friendly solvent process that is worker-friendly, has a low solvent treatment cost, and has little adverse effect on the environment. Most of the materials used in the photoactive layer of the organic solar cell are soluble in an organic solvent and not soluble in ethanol/water, which is an eco-friendly solvent.
이를 극복하고자, 물 등의 극성을 띄는 친환경 용매에 광활성 물질을 녹이기 위해 곁사슬에 전하를 띈 원소를 도입하는 방법이 보고되었으나, 광활성층 내에서 형성된 전하들이 여기에 트랩(trap) 되면서 태양전지 소자로서의 성능이 낮은 문제점이 있다. 다른 방법으로, 물과 유기용매를 사용해서 광활성층 물질을 에멀젼(emulsion) 형태로 만들어 효율을 향상시킨 연구가 보고되었으나, 여전히 유독한 유기용매가 사용되고 있다. To overcome this, a method of introducing a charged element in a side chain to dissolve a photoactive material in an eco-friendly solvent having a polarity such as water has been reported, but as charges formed in the photoactive layer are trapped there, as a solar cell device There is a problem of low performance. As another method, studies have been reported to improve the efficiency by forming a photoactive layer material in the form of an emulsion using water and an organic solvent, but toxic organic solvents are still used.
본 발명은, 친환경 용매인 물 및 알콜 내에서 용해도가 개선되어, 친환경 용매 내에서 공정이 가능하고, 친환경 유기전자소자를 제공할 수 있는, 신규한 화합물을 제공하는 것이다. The present invention is to provide a novel compound that can improve the solubility in water and alcohol, which are environmentally friendly solvents, process in an environmentally friendly solvent, and provide an environmentally friendly organic electronic device.
본 발명은, 친환경 용매로 제조 가능하고, 본 발명에 의한 신규한 화합물을 포함하는 유기전자소자용 조성물을 제공하는 것이다.The present invention is to provide a composition for an organic electronic device that can be manufactured with an eco-friendly solvent and contains the novel compound according to the present invention.
본 발명은, 본 발명에 의한 유기전자소자용 조성물을 이용하여 친환경 용액 공정으로 제조 가능하고, 전기적 특성 및 성능이 향상된 친환경 유기전자소자를 제공하는 것이다. The present invention, by using the composition for an organic electronic device according to the present invention can be manufactured by an environmentally friendly solution process, to provide an environmentally friendly organic electronic device with improved electrical properties and performance.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따라, 하기의 화학식 1로 표시되고, 올리고에틸렌글리콜계 치환기를 갖는 화합물에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, it is represented by the following Chemical Formula 1, and relates to a compound having an oligoethylene glycol-based substituent.
[화학식 1][Formula 1]
(여기서, 풀러렌(fullerene)은 C60 내지 C860 풀러렌 모이어티에서 선택되고, (Where fullerene is selected from C60 to C860 fullerene moieties,
Ar은 치환 또는 비치환된 페닐 및 티에닐에서 선택되고, Ar is selected from substituted or unsubstituted phenyl and thienyl,
R1은 -C1-C20 알킬-이고, R 1 is -C 1 -C 20 alkyl-,
R2 내지 R6은 각각, 수소, C1~C20 알킬기, -O-C1~C20 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택된다(단, R2 내지 R6은 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다.),R 2 to R 6 are each hydrogen, a C 1 to C 20 alkyl group, -OC 1 ~ C 20 It is selected from alkyl groups and oligoethylene glycol-based substituents (however, at least one of R 2 to R 6 is an oligoethylene glycol-based substituent),
상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는, -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n 및 m은, 1 내지 20의 정수), 및 (R9 및 R10은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n은 0 내지 20의 정수이고, n' 및 m'은, 각각 1 내지 20의 정수에서 선택된다.)에서 선택된다. The oligoethylene glycol-based substituent, -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7 , -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or a C 1 ~C 10 alkyl group, n and m are integers from 1 to 20), And (R 9 and R 10 are each hydrogen or a C 1 to C 10 alkyl group, n is an integer from 0 to 20, and n'and m'are each selected from integers from 1 to 20.).
본 발명의 일 실시예에 따라 상기 R1은, -C1~C10 알킬- 이고, 상기 R2 내지 R6은, 각각 수소, C1~C10 알킬기, -O-C1~C10 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택되고(단, R2 내지 R6 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다), 상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는, -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은, 각각 수소 또는 C1~C5 알킬기이고, n 및 m은, 1 내지 10의 정수이다), 및 (R9 및 R10은 각각 수소 또는 C1~C5 알킬기이고, n은 0 내지 5의 정수이고, n' 및 m'은, 1 내지 10의 정수)에서 선택되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, R 1 is -C 1 to C 10 alkyl-, and R 2 to R 6 are each hydrogen, a C 1 to C 10 alkyl group, -OC 1 ~C 10 alkyl group And an oligoethylene glycol-based substituent (wherein at least one of R 2 to R 6 is an oligoethylene glycol-based substituent), and the oligoethylene glycol-based substituent, -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7, -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or a C 1 to C 5 alkyl group, n and m are integers from 1 to 10), And (R 9 and R 10 are each a hydrogen or C 1 ~ C 5 alkyl group, n is an integer of 0 to 5, n'and m', may be selected from 1 to 10).
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 풀러렌 유도체는, 하기의 화학식 1-1로 표시되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the fullerene derivative may be represented by the following Chemical Formula 1-1.
[화학식 1-1] [Formula 1-1]
(여기서, R3 내지 R5는 -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n 및 m은, 1 내지 10의 정수) 및 (R9 및 R10은, 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n' 및 m'은, 1 내지 10의 정수)에서 선택된다.)(Where R 3 to R 5 are -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7 , -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or a C 1 ~C 10 alkyl group, n and m are integers from 1 to 10) and (R 9 and R 10 are each hydrogen or a C 1 to C 10 alkyl group, and n'and m'are selected from integers of 1 to 10.)
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 풀러렌은, C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720 및 C860으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the fullerene may be selected from the group consisting of C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720 and C860.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화합물은, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함하는 용매에 가용성을 갖는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the compound may be soluble in a solvent containing water, alcohol, or both.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화합물은, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함하는 용매에 대한 용해도는, 25 ℃에서 1 mg/ml 이상인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the compound, the solubility in water, alcohol or a solvent containing both, may be at least 1 mg / ml at 25 ℃.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 알콜은, 탄소수 1 내지 4의 알코올인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the alcohol may be an alcohol having 1 to 4 carbon atoms.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 용매는 알코올 및 물의 혼합물이고, 상기 혼합물 중 물의 부피비는 0 초과 내지 80 부피%인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the solvent is a mixture of alcohol and water, and the volume ratio of water in the mixture may be greater than 0 to 80% by volume.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상; 및 용매; 를 포함하는, 유기전자소자용 조성물에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, at least one of the compounds represented by Formula 1 according to the present invention; And solvents; It relates to a composition for an organic electronic device comprising a.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유기전자소자용 조성물은, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함하는 용매를 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the composition for an organic electronic device may include water, alcohol, or a solvent containing both.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유기전자소자용 조성물은, 하기의 화학식 2 내지 화학식 4로 표시되는 화합물을 더 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the composition for an organic electronic device may further include a compound represented by the following Chemical Formulas 2 to 4.
[화학식 2][Formula 2]
(여기서, n은 1 내지 1000의 정수이고, m은 1 내지 30의 정수이며, X는 S, Se 또는 O이며, R11 및 R12는 각각 수소, 할로겐 또는 C1~C10 알킬에서 선택된다.)(Where n is an integer from 1 to 1000, m is an integer from 1 to 30, X is S, Se or O, and R 11 and R 12 are each selected from hydrogen, halogen or C 1 to C 10 alkyl .)
[화학식 3][Formula 3]
(여기서, R13 내지 R14은 각각, 수소, C1~C20 알킬기, -O-C1~C20 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택되고(단, R13 내지 R14 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다.), R은 각각, 수소, C1~C20 알킬기 및 할로겐에서 선택되고, n은 1 내지 1000의 정수이며, 상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는 상기 정의된 바와 같다.)(Wherein R 13 to R 14 are each hydrogen, a C 1 to C 20 alkyl group, -OC 1 ~ C 20 alkyl group and an oligoethylene glycol-based substituent is selected (but at least one of R 13 to R 14 is an oligoethylene glycol-based substituent.), R are each hydrogen, C 1 ~ C 20 alkyl group and Selected from halogen, n is an integer from 1 to 1000, and the oligoethylene glycol-based substituent is as defined above.)
[화학식 4][Formula 4]
(여기서, R13 내지 R14은 각각, 수소, C1~C20 알킬기, -O-C1~C20 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택되고(단, R13 내지 R14 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다.), n은 1 내지 1000의 정수이며, 상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는 상기 정의된 바와 같다.)(Wherein R 13 to R 14 are each hydrogen, a C 1 to C 20 alkyl group, -OC 1 ~ C 20 Alkyl group and oligoethylene glycol-based substituent is selected from (but at least one of R 13 to R 14 is an oligoethylene glycol-based substituent.), n is an integer from 1 to 1000, the oligoethylene glycol System substituents are as defined above.)
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학식 2 내지 화학식 4으로 표시되는 화합물 대 제1항의 화합물의 혼합비는, 1: 0.001 내지 20의 질량비(w:w)인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the mixing ratio of the compound represented by Chemical Formulas 2 to 4 and the compound of
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함하는 활성층; 을 포함하는, 유기전자소자에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, the active layer comprising at least one of the compounds represented by Formula 1 according to the present invention; It relates to an organic electronic device comprising a.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 활성층은, 1 nm 이상의 두께를 갖는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the active layer may be one having a thickness of 1 nm or more.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유기전자소자는, 유기태양전지, 유기전계효과 트랜지스터, 메모리 소자 또는 광센서인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the organic electronic device may be an organic solar cell, an organic field effect transistor, a memory device or an optical sensor.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유기태양전지는 역구조(inverted type) 형태의 유기태양전지 또는 정구조 (normal type) 형태의 전고분자 유기태양전지인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the organic solar cell may be an inverted type organic solar cell or a normal type organic polymer solar cell.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 화학식 1로 표시되는 화합물 1종 이상을 용매 내에 용해시켜 코팅 조성물을 형성하는 단계; 및 상기 코팅 조성물을 기재 상에 코팅하는 단계; 를 포함하고, 상기 용매는 물, 알콜 또는 이 둘을 포함하는 것인, 유기전자소자의 제조방법에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, dissolving at least one compound represented by Formula 1 according to the present invention in a solvent to form a coating composition; And coating the coating composition on a substrate. It includes, and the solvent is water, alcohol, or both of these, relates to a method of manufacturing an organic electronic device.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 코팅 조성물은, 상온 이상의 온도에서 상기 화합물을 용해시키는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the coating composition may be to dissolve the compound at a temperature above room temperature.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 용매는 알코올 및 물의 혼합물이고, 상기 혼합물 중 물의 부피비는 0 초과 내지 80 부피%인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the solvent is a mixture of alcohol and water, and the volume ratio of water in the mixture may be greater than 0 to 80% by volume.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 기재는 무기산화물 박막 또는 가교된 폴리-(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(cross-linked poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate); PEDOT:PSS) 박막인 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the substrate is an inorganic oxide thin film or a cross-linked poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (cross-linked poly-(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate); PEDOT: PSS) may be a thin film.
본 발명은, 친수성의 올리고에틸렌글리콜 곁사슬을 도입하여, 친환경 극성 용매에 잘 녹아 용액공정이 가능하고, 용액 공정으로 광활성층 박막의 형성이 가능한 유기 전도성 소재로 적용되는 신규한 화합물을 제공할 수 있다.The present invention, by introducing a hydrophilic oligoethylene glycol side chain, it is possible to provide a novel compound applied as an organic conductive material that can be dissolved in an environmentally friendly polar solvent, solution process is possible, and a solution process can form a photoactive layer thin film. .
본 발명은, 기존의 용액 공정에서 사용되는 인체 유해한 용매, 예를 들어, 할로겐 유기용매를 친환경 용매로 대체한 친환경 유기전자소자용 조성물을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은, 친수성 용매에 의한 용액 공정을 이용하여 정구조 형태의 전 고분자 유기태양전지를 제공할 수 있다. The present invention can provide a composition for an eco-friendly organic electronic device in which a solvent harmful to a human body used in a conventional solution process, for example, a halogen organic solvent is replaced with an eco-friendly solvent. In addition, the present invention, by using a solution process with a hydrophilic solvent can provide an all-polymer organic solar cell in the form of a crystal structure.
본 발명은, 본 발명에 의한 신규한 화합물을 적용하여 외부 환경에 대한 안정성, 예를 들어, 높은 대기 안정성을 갖고, 효율이 극대화된 친환경 유기전자소자를 제공할 수 있다. The present invention, by applying the novel compound according to the present invention can provide an environmentally friendly organic electronic device having stability against the external environment, for example, high atmospheric stability, and maximized efficiency.
본 발명은, 신규한 화합물을 이용하여 고효율 및 전기적 특성이 개선된 친환경 유기전자소자, 예를 들어, 친환경 유기태양전지를 제공할 수 있다.The present invention can provide an eco-friendly organic electronic device, for example, an eco-friendly organic solar cell with improved high efficiency and electrical properties using a novel compound.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 역구조 및 정구조 형태의 PSC의 디바이스 구조를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 역구조 PSC의 디바이스의 (a) AM 1.5G 및 100 mW cm-2의 발광 하에서 J-V 커브 및 (b) EQE plots를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따라 (a) PCBO12, (b) PCBO15 및 (c) PCBO27의 필름의 2D-GIXS 패턴이며, (d) in-plane 및 (e) out-of-plane line-cut profiles에 따른 모폴로지의 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 역구조 PSC의 디바이스의 (a) PPDT2FBT-A:PCBO12, (b) PPDT2FBT-A:PCBO15 및 (c) PPDT2FBT-A:PCBO27 혼합물의 필름의 2D-GIXS 패턴이며, (d) in-plane 및 (e) out-of-plane line-cut profiles에 따른 모폴로지의 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 정구조 PSC의 대기 안정성의 평가 결과를 나타낸 것이다.FIG. 1 exemplarily shows a device structure of a PSC having an inverse structure and a forward structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the (A) AM 1.5G and 100 mW cm -2 of JV curve and (B) EQE plots of the device of the inverse PSC device prepared according to the embodiment of the present invention.
3 is a 2D-GIXS pattern of (a) PCBO12, (b) PCBO15 and (c) PCBO27 films according to an embodiment of the present invention, (d) in-plane and (e) out-of-plane line It shows the results of morphology analysis according to -cut profiles.
Figure 4 is a 2D of the film of the (a) PPDT2FBT-A:PCBO12, (b) PPDT2FBT-A:PCBO15 and (c) PPDT2FBT-A:PCBO27 mixture of the device of the reverse structure PSC prepared according to the embodiment of the present invention. It is a -GIXS pattern and shows the results of morphology analysis according to (d) in-plane and (e) out-of-plane line-cut profiles.
Figure 5 shows the evaluation results of the atmospheric stability of the normal structure PSC prepared according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to appropriately represent a preferred embodiment of the present invention, which may vary according to a user's, operator's intention, or customs in the field to which the present invention pertains. Accordingly, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the specification. The same reference numerals in each drawing denote the same members.
명세서 전체에서, 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.Throughout the specification, when one member is positioned “on” another member, this includes not only the case where one member abuts another member, but also the case where another member exists between the two members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part “includes” a certain component, it means that the other component may be further included instead of excluding the other component.
이하, 본 발명의 신규한 풀러렌 유도체에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a novel fullerene derivative of the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.
본 발명은, OEG(oligoethlene glygol) 곁사슬을 갖는 신규한 화합물에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화합물은, 수성계 용매 내에서 용해되는 수용성(water-soluble)을 가지며, 물, 알콜 등과 같은 친환경 용매 내에서 용액 공정이 가능하다.The present invention relates to a novel compound having an oligoethlene glygol (OEG) side chain, and according to an embodiment of the present invention, the compound has water-soluble in water-soluble solvent, water, Solution processing is possible in environmentally friendly solvents such as alcohol.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 상기 친수성 OEG 곁사슬의 도입에 의해서 가공성 및 유기전자 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 화합물을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 화합물은, 하기의 화학식 1로 표시되는 풀러렌 유도체일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the present invention can provide a compound capable of improving the processability and performance of an organic electronic device by introducing the hydrophilic OEG side chain. More specifically, the compound may be a fullerene derivative represented by
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서 풀러렌(fullerene)은 C60 내지 C860 풀러렌 모이어티에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 풀러렌(fullerene)은, C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720 및 C860으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. In
Ar은 치환 또는 비치환된 페닐 및 티에닐에서 선택될 수 있다. 상기 치환은, C1-C20 알킬기, C2-C20 알킬렌기 및 할로겐에서 선택된 적어도 하나의 치환기에 의해서 이루어질 수 있다. Ar may be selected from substituted or unsubstituted phenyl and thienyl. The substitution may be made by at least one substituent selected from C 1 -C 20 alkyl group, C2-C 20 alkylene group and halogen.
R1은, -C1~C20 알킬-이고, 바람직하게는 -C1~C10 알킬-일 수 있다.R 1 is -C 1 to C 20 alkyl-, and may preferably be -C 1 to C 10 alkyl-.
R2 내지 R6은 각각 수소, C1~C20 알킬기, -O-C1~C20 알킬기 및 하기에 표시되는 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택되고, R2 내지 R6 중 적어도 하나는 올리고에틸렌옥사이드글리콜계 치환기이다.R 2 to R 6 are each hydrogen, a C 1 ~C 20 alkyl group, -OC 1 ~ C 20 It is selected from alkyl groups and oligoethylene glycol-based substituents shown below, and at least one of R 2 to R 6 is an oligoethylene oxide glycol-based substituent.
상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는, -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n 및 m은, 1 내지 20의 정수), 및 (R9 및 R10은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n은 0 내지 20의 정수이고, n' 및 m'은, 각각 1 내지 20의 정수에서 선택된다.The oligoethylene glycol-based substituent is -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7 , -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or a C 1 ~C 10 alkyl group, n and m are integers from 1 to 20), And (R 9 and R 10 are each hydrogen or a C 1 to C 10 alkyl group, n is an integer from 0 to 20, and n'and m'are each selected from integers from 1 to 20.
바람직하게는 상기 R2 내지 R6은, 각각 수소, C1~C10 알킬기, -O-C1~C10 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택되고, 상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는, -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은, 각각 수소 또는 -C1~C5 알킬기이고, n 및 m은, 1 내지 10의 정수이다), 및 (R9 및 R10은, 각각 수소 또는 C1~C5 알킬기이고, n은 0 내지 5의 정수이고, n' 및 m'은, 1 내지 10의 정수이다)에서 선택되는 것일 수 있다. Preferably, R 2 to R 6 are each hydrogen, C 1 to C 10 alkyl, -OC 1 ~ C 10 It is selected from alkyl groups and oligoethylene glycol-based substituents, the oligoethylene glycol-based substituents, -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7 , -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or a -C 1 to C 5 alkyl group, and n and m are integers from 1 to 10 ), And (R 9 and R 10 are hydrogen or a C 1 to C 5 alkyl group, respectively, n is an integer from 0 to 5, and n'and m'are integers from 1 to 10).
더 바람직하게는, 상기 풀러렌 유도체는, 하기의 화학식 1-1로 표시되는 것일 수 있다. More preferably, the fullerene derivative may be represented by the following Chemical Formula 1-1.
[화학식 1-1] [Formula 1-1]
여기서, R3 내지 R5는 -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬이고, n 및 m은, 1 내지 10의 정수이다), 및 (R9 및 R10은 각각 수소 또는 -C1~C10 알킬이고, n' 및 m'은, 1 내지 10의 정수이다)에서 선택된다.)Here, R 3 to R 5 is -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7 , -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or C 1 to C 10 alkyl, and n and m are integers from 1 to 10), And (R 9 and R 10 are each hydrogen or -C 1 to C 10 alkyl, and n'and m'are integers from 1 to 10.)
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화합물은, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함하는 용매에 가용성을 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 가용성은, 대기 조건 및 0 ℃ 이상; 상온 이상; 30 ℃ 이상; 50 ℃ 이상; 70 ℃ 이상; 또는 70 ℃ 내지 100 ℃ 온도에서 상기 용매 내에 용해될 수 있다. 예를 들어, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함하는 용매에 대해 25 ℃에서 0.1 mg/ml 이상; 1 mg/ml 이상; 5 mg/ml 이상; 10 mg/ml 이상; 또는 1 mg/ml 내지 250 mg/ml의 용해도를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the compound may be soluble in a solvent containing water, alcohol, or both. For example, the solubility may include atmospheric conditions and 0°C or higher; Above room temperature; 30°C or higher; 50°C or higher; 70°C or higher; Or it may be dissolved in the solvent at a temperature of 70 ℃ to 100 ℃. For example, at least 0.1 mg/ml at 25° C. for solvents containing water, alcohol or both; 1 mg/ml or more; 5 mg/ml or more; 10 mg/ml or more; Or 1 mg/ml to 250 mg/ml.
상기 알콜은, 탄소수 1 내지 4의 알콜이고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 2의 알콜일 수 있다. The alcohol is an alcohol having 1 to 4 carbon atoms, preferably an alcohol having 1 to 2 carbon atoms.
상기 물 및 알코올의 혼합 시 용매 혼합물 내에 물의 부피비는 0 부피% 초과 내지 80 부피%; 5 부피% 내지 60 부피%; 10 부피% 내지 50 부피%; 또는 15 부피% 내지 40 부피%일 수 있다. When mixing the water and alcohol, the volume ratio of water in the solvent mixture is greater than 0% by volume to 80% by volume; 5% to 60% by volume; 10% to 50% by volume; Or 15% to 40% by volume.
본 발명은, 본 발명에 의한 화합물을 포함하는 유기전자소자용 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유기전자소자용 조성물은, 물, 알콜 등과 같은 친환경 용매 내에서 공정이 가능한 친환경적인 조성물이다. 상기 화합물은상기 조성물의 100 중량부에 대해 1 내지 99 중량부로 포함되고, 잔량의 용매를 포함할 수 있다. 상기 용매는, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 바람직하게는 알코올 및 물의 혼합물일 수 있다. The present invention relates to a composition for an organic electronic device comprising a compound according to the present invention, and according to an embodiment of the present invention, the composition for an organic electronic device can be processed in an environmentally friendly solvent such as water, alcohol, etc. It is an environmentally friendly composition. The compound is contained in 1 to 99 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the composition, it may include a residual amount of solvent. The solvent may include water, alcohol, or both. Preferably it can be a mixture of alcohol and water.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 유기전자소자용 조성물은, 유기전자조자의 활성층에 적용되고, 본 발명에 의한 화합물을 포함하는 고분자 받개를 포함할 수 있다. 또한, 상기 유기전자소자용 조성물은, 하기의 화학식 2 내지 화학식 4으로 표시되는 고분자 주개(polymer donor) 화합물 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the composition for an organic electronic device is applied to the active layer of an organic electron assister, and may include a polymer receiver comprising a compound according to the present invention. In addition, the composition for an organic electronic device may further include at least one of a polymer donor compound represented by the following Chemical Formulas 2 to 4.
[화학식 2] [Formula 2]
여기서, n은 1 내지 1000의 정수이고, m은 1 내지 30의 정수이며, X는 S, Se 또는 O이며, R11 및 R12는 각각 수소, 할로겐 또는 C1~C10 알킬에서 선택된다. Here, n is an integer from 1 to 1000, m is an integer from 1 to 30, X is S, Se or O, and R 11 and R 12 are each selected from hydrogen, halogen or C 1 to C 10 alkyl.
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
화학식 3 및 화학식 4에서 R13 내지 R14은 각각, 수소, C1~C20 알킬기, -O-C1~C20 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택된다(단, R13 내지 R14 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다. R은 각각, 수소, C1~C20 알킬기 및 할로겐에서 선택되고, n은 1 내지 1000의 정수이고, 상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는 상기 언급한 바와 같다.In
상기 고분자 주개로 본 발명의 목적 및 범위를 벗어나지 않는 다면, 필요 시 선택적으로 (폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실)옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일][3-플루오로-2-[(2-에틸헥실)카르보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일]](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]] (PTB7)), (폴리[[4,8-비스[5-(2-에틸헥실)티오펜-2-일]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일-알트-(4-(2-에틸헥실)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜-)-2-카르복실레이트-2-6-디일)])(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)]) (PTB7-Th), 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene)) (P3HT) 및 폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]] (Poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]]) (PCPDTBT)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b), if necessary, as long as it does not depart from the object and scope of the present invention. ']Dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophendiyl]](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]] (PTB7)), (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)])(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)]) (PTB7-Th), poly(3-hex Silthiophene) (poly(3-hexylthiophene)) (P3HT) and poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta [2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]] (Poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl )-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]]) (PCPDTBT).
상기 고분자 받개(polymer acceptor)는, 상기 조성물 100 중량부에 대해 0.001 내지 99중량부를 포함할 수 있다. 상기 고분자 주개(polymer donor)는 상기 조성물 100 중량부에 대해 0.001 내지 99중량부를 포함하고, 잔량의 용매를 포함할 수 있다. 상기 함량 범위 내에 포함되면 상기 고분자 주개와 풀러렌 유도체의 혼합상이 잘 이루어지고, 기계적 특성 및 소자 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 목적을 벗어나지 않는다면, 통상적인 첨가제를 더 포함할 수 있으나, 본 명세서에는 구체적으로 언급하지 않는다. The polymer acceptor may include 0.001 to 99 parts by weight based on 100 parts by weight of the composition. The polymer donor contains 0.001 to 99 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the composition, and may include a residual amount of solvent. When included in the content range, a mixed phase of the polymer donor and a fullerene derivative is well formed, and mechanical properties and device efficiency can be improved. If it does not depart from the object of the present invention, it may further include a conventional additive, it is not specifically mentioned in the present specification.
상기 고분자 주개 : 상기 고분자 받개의 비율은 1 : 0.001 내지 20(w:w); 1 : 0.001 내지 5(w:w); 1 : 0.01 내지 5(w:w); 1 : 0.1 내지 3 (w:w); 1 : 1 내지 3(w:w); 또는 1 : 3 내지 20(w:w)일 수 있다. 상기 비율 범위 내에 포함되면, 고분자 주개와 고분자 받개 혼합상이 잘 이루어져 기계적 특성이 개선되고 외부 에너지에 의한 손상 가성능이 낮고, 안정적인 성능을 제공할 수 있다.The polymer donor: the ratio of the polymer acceptor is 1: 0.001 to 20 (w:w); 1: 0.001 to 5 (w:w); 1: 0.01 to 5 (w:w); 1: 0.1 to 3 (w:w); 1: 1 to 3 (w:w); Or 1: 3 to 20 (w:w). When included in the ratio range, the polymer donor and the polymer acceptor mixed phase are well formed to improve mechanical properties, and have low potential for damage due to external energy, and provide stable performance.
본 발명은, 본 발명에 의한 화합물을 포함하는 활성층; 을 포함하는, 유기전자소자에 관한 것이다.The present invention, the active layer containing the compound according to the present invention; It relates to an organic electronic device comprising a.
상기 유기전자소자는, 유기태양전지, 유기전계효과 트랜지스터, 메모리 소자 또는 광센서 등일 수 있다.The organic electronic device may be an organic solar cell, an organic field effect transistor, a memory device or an optical sensor.
본 발명의 일 예로, 상기 유기전자소자는, 기판; 무기 박막유기 박막 또는 이 둘의 복합막; 및 본 발명에 의한 유기전자소자용 조성물을 포함하는 활성층; 및 전극을 포함하는 유기태양전지(ternary-polymer solar cells; PSCs)이다. 상기 유기태양전지는 역구조 (inverted type) 형태 또는 정구조 (normal type) 형태의 유기태양전지이며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다면 각 층의 구성 성분 및 제조공정은 상기 언급한 형태에 따라 적절하게 선택할 수 있다. As an example of the present invention, the organic electronic device, a substrate; Inorganic thin film organic thin film or a composite film of the two; And an active layer comprising the composition for an organic electronic device according to the present invention; And an organic solar cell (PSCs) including an electrode. The organic solar cell is an organic solar cell of an inverted type or a normal type, and the components and manufacturing processes of each layer are appropriate according to the above-mentioned form unless it is within the scope of the present invention. You can choose.
상기 기판은 투명기판이며, 석영, 유리, 산화인듐주석(indium thin oxide; ITO)이 코팅된 유리 기판, 실리콘 기판, 금속 기판, 갈륨 비소 기판 및 투명 플라스틱 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 투명 플라스틱 기판은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES), 방향족 폴리에스테르, 폴리이미드 및 폴리에테르이미드(PEI)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 투명 플라스틱 기판으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The substrate is a transparent substrate, and includes any one selected from the group consisting of quartz, glass, a glass substrate coated with indium thin oxide (ITO), a silicon substrate, a metal substrate, a gallium arsenide substrate, and a transparent plastic substrate. can do. The transparent plastic substrate, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polystyrene (PS), polypropylene (PP), polyimide (PI), polyethylene sulfonate (PES), Group consisting of at least one transparent plastic substrate selected from the group consisting of polyoxymethylene (POM), polyether ether ketone (PEEK), polyether sulfone (PES), aromatic polyester, polyimide and polyetherimide (PEI) It may include at least one selected from, but is not limited thereto.
상기 무기 박막 또는 유기 박막은, 상기 기판 상에 형성될 수 있고, 유기태양전지에 적용 가능한 전자수송층 또는 정공수송층을 형성하는 것이라며 제한 없이 적용될 수 있고, 전자수송 물질로 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)(aluminium tris(8-hydroxyquinoline), Alq3), 리튬플로라이드(LiF), 리튬착체(8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq), 비공액 고분자, 비공액 고분자 전해질, 공액 고분자 전해질, 또는 n-형 금속 산화물 등일 수 있고, 상기 n-형 금속 산화물은 일례로, TiOx, ZnO 또는 Cs2CO3이다. 정공수송 물질로 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리인돌, 폴리피렌. 폴리카바졸, 폴리아줄렌, 폴리아제핀, 폴리플루오렌, 폴리나프탈렌, 폴리-(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate); PEDOT:PSS) 및 폴리에틸렌디옥시티오펜으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 전도성 고분자 또는 가교된 전도성 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The inorganic thin film or the organic thin film may be formed on the substrate, and can be applied without limitation as it forms an electron transport layer or a hole transport layer applicable to an organic solar cell, and can be applied without limitation, aluminum tris (8-hydroxyquinoline as an electron transport material) )(aluminium tris(8-hydroxyquinoline), Alq3), lithium fluoride (LiF), lithium complex (8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq), non-conjugated polymer, non-conjugated polymer electrolyte, conjugated polymer electrolyte, or n-type It may be a metal oxide, and the n-type metal oxide is, for example, TiOx, ZnO or Cs 2 CO 3 . As a hole transport material, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, polyacetylene, polyphenylene sulfide, polyphenylene vinylene, polyindole, polypyrene. Polycarbazole, polyazulene, polyazepine, polyfluorene, polynaphthalene, poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate ); PEDOT:PSS) and polyethylenedioxythiophene may include a conductive polymer or a crosslinked conductive polymer including at least one selected from the group, but is not limited thereto.
예를 들어, 금속산화물계 전자수송 물질을 포함하는 무기박막/활성층을 적용하여 역구조 (inverted type) 형태의 유기태양전지를 형성하고, 고분자 정공전달 물질을 포함하는 유기박막/활성층을 적용하여 정구조 (normal type) 형태의 유기태양전지를 형성할 수 있다. 또한, 정구조 (normal type) 형태의 유기태양전지는 전고분자 유기태양전지일 수 있다. 예를 들어, 정구조 (normal type) 형태의 유기태양전지는 가교된 폴리-(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(cross-linked poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate); PEDOT:PSS) 유기박막을 포함할 수 있다.For example, an inorganic thin film/active layer containing a metal oxide-based electron transport material is applied to form an inverted type organic solar cell, and an organic thin film/active layer containing a polymer hole transport material is applied It is possible to form an organic solar cell of a normal type. Further, the organic solar cell of a normal type may be an all-polymer organic solar cell. For example, a normal type organic solar cell is cross-linked poly-(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styreneethylene sulfonate). :poly(styrenesulfonate); PEDOT:PSS).
상기 활성층은, 상기 무기 박막 또는 유기 박막 상에 형성되고, 상기 활성층은, 1 nm 이상; 10 nm 이상; 50 nm 내지 1000 nm; 또는 80 nm 내지 150 nm일 수 있다.The active layer is formed on the inorganic thin film or the organic thin film, and the active layer is 1 nm or more; 10 nm or more; 50 nm to 1000 nm; Or 80 nm to 150 nm.
상기 유기태양전지는, 상기 활성층 상에 금속산화물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, Ti, Zn, Sr, In, Ba, K, Nb, Fe, Ta, W, Sa, Bi, Ni, Cu, Mo, Ce, Pt, Ag, Rh, Cr, V 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속의 산화물이며, 보다 구체적으로, 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 산화아연주석(Zinc Tin Oxide), 산화갈륨 (Ga2O3), 산화텅스텐(WO3), 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화바나듐(V2O5, VO2, V4O7, V5O9, V2O3) 산화몰리브데늄(MoO3 또는 MoOx), 산화구리 (Copper(II) Oxide: CuO), 산화니켈(NiO), 산화구리알루미늄(CopperAluminiumOxide:CAO, CuAlO2), 산화아연로듐(ZincRhodiumOxide: ZRO, ZnRh2O4), 산화철, 산화크롬(CrO3), 산화비스무스, IGZO(indium-Gallium Zinc Oxide), ZrO2 등일 수 있으나, 이에 제한 되지 않는다. 바람직하게는 MoO3, WO3, V2O5 및 CrO3일 수 있다.The organic solar cell may further include a metal oxide on the active layer. For example, Ti, Zn, Sr, In, Ba, K, Nb, Fe, Ta, W, Sa, Bi, Ni, Cu, Mo, Ce, Pt, Ag, Rh, Cr, V and combinations thereof It is an oxide of at least one metal selected from the group consisting of, more specifically, indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), zinc oxide (Zinc Tin Oxide), gallium oxide ( Ga 2 O 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), aluminum oxide, titanium oxide, vanadium oxide (V 2 O 5 , VO 2 , V 4 O 7 , V 5 O 9 , V 2 O 3 ) molybdenum oxide ( MoO 3 or MoO x ), copper(II) Oxide: CuO, nickel oxide (NiO), copper aluminum oxide (CopperAluminiumOxide:CAO, CuAlO 2 ), zinc oxide (ZincRhodiumOxide: ZRO, ZnRh 2 O 4 ) , Iron oxide, chromium oxide (CrO 3 ), bismuth oxide, indium-gallium zinc oxide (IGZO), ZrO 2 and the like, but is not limited thereto. It may be preferably MoO 3 , WO 3 , V 2 O 5 and CrO 3 .
상기 유기태양전지는 상기 활성층 상에 전자수송 물질을 포함하는 중간층을 더 포함할 수 있다. 상기 중간층은 고분자 전자수송 물질을 포함할 수 있다.The organic solar cell may further include an intermediate layer containing an electron transport material on the active layer. The intermediate layer may include a polymer electron transport material.
상기 전극은, 상부 및 하부 전극을 포함하고, 유기태양전지에 적용 가능한 전극 성분이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 상기 상부 전극은, 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 상기 하부 전극은, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO), 산화인듐아연(Indium Zinc Oxide; IZO), 산화인듐갈륨아연(Indium Gallium Zinc Oxide; IGZO), 산화인듐주석아연(Indium Tin Zinc Oxide; ITZO), 갈륨도핑 산화아연(Ga-doped Zinc Oxide; GZO), 알루미늄도핑 산화아연(Al-doped Zinc Oxide; AZO), 불소도핑 산화주석(F-doped Tin Oxide; FTO), 산화아연주석(Zinc Tin Oxide; ZTO), 산화인듐갈륨(Indium Gallium Oxide; IGO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The electrode may include, without limitation, upper and lower electrodes, and any electrode component applicable to the organic solar cell. The upper electrode may include silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), and platinum (Pt). ), titanium (Ti), aluminum (Al), nickel (Ni), zirconium (Zr), iron (Fe), manganese (Mn), and magnesium (Mg). have. The lower electrode may include indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium gallium zinc oxide (IGZO), indium tin zinc oxide (Indium Tin Zinc Oxide); ITZO), Gallium-doped Zinc Oxide (GZO), Aluminum-doped Zinc Oxide (AZO), F-doped Tin Oxide (FTO), Zinc Oxide Tin Oxide; ZTO), Indium Gallium Oxide (IGO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-A l2 O 3 , SnO 2 -Sb 2 O 3 It may include at least one selected from the group consisting of However, it is not limited thereto.
본 발명의 일 예로, 상기 유기박막트랜지스터는, 본 발명에 의한 조성물을 포함하는 유기반도체층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기박막트랜지스터는, 기판, 소스-드레인 전극, 유기반도체층, 절연막 및 게이트전극을 포함할 수 있다.As an example of the present invention, the organic thin film transistor may include an organic semiconductor layer including the composition according to the present invention. For example, the organic thin film transistor may include a substrate, a source-drain electrode, an organic semiconductor layer, an insulating film, and a gate electrode.
상기 유기박막트랜지스터는, 본 발명의 기술 분야에서 적용되는 구성 및 방법으로 제조될 수 있으며, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는다면, 특별히 제한하지 않는다.The organic thin film transistor may be manufactured by a configuration and method applied in the technical field of the present invention, and is not particularly limited as long as it does not depart from the object of the present invention.
상기 게이트 전극, 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 인듐틴옥사이드(ITO) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기반도체층은 스크린 인쇄법, 프린팅법, 스핀 코팅법, 잉크 분사법 등을 제조될 수 있다. The gate electrode, the source electrode, and the drain electrode may include gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), nickel (Ni), and indium tin oxide (ITO). For example, the organic semiconductor layer may be manufactured by a screen printing method, a printing method, a spin coating method, an ink spraying method, or the like.
상기 유기반도체층의 형성 이후에 1 분 내지 100 분 동안 진공 또는 질소, 아르곤, 또는 공기 분위기에서 50 ℃ 내지 300 ℃에서 열처리될 수 있다. After the formation of the organic semiconductor layer may be heat-treated at 50 ℃ to 300 ℃ in a vacuum or nitrogen, argon, or air atmosphere for 1 to 100 minutes.
상기 유기반도체층은, 상기 조성물에 의한 유기반도체 막을 형성하고, 상기 유기반도체 막의 두께는, 1 nm 이상; 10 nm 이상; 50 nm 내지 1000 nm; 또는 80 nm 내지 150 nm일 수 있다.The organic semiconductor layer forms an organic semiconductor film by the composition, and the thickness of the organic semiconductor film is 1 nm or more; 10 nm or more; 50 nm to 1000 nm; Or 80 nm to 150 nm.
상기 유기박막트랜지스터는, 상기 유기반도체층 상에 소스 및 드레인 전극이 위치하는 탑 콘택트형 또는 상기 유기반도체층 하부에 소스 및 드레인 전극이 형성되는 바텀 콘택트형일 수 있다. The organic thin film transistor may be a top contact type in which source and drain electrodes are positioned on the organic semiconductor layer or a bottom contact type in which source and drain electrodes are formed under the organic semiconductor layer.
본 발명은, 유기전자소자의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 화합물을 용매 내에 용해시켜 코팅 조성물을 형성하는 단계; 및 코팅 조성물을 기재 상에 코팅하는 단계;를 포함할 수 있다.The present invention relates to a method for manufacturing an organic electronic device, according to an embodiment of the present invention, dissolving the compound according to the present invention in a solvent to form a coating composition; And coating the coating composition on the substrate.
상기 코팅 조성물을 형성하는 단계는 본 발명에 의한 화합물을 상온 이상의 온도; 30 ℃ 이상; 50 ℃ 이상; 70 ℃ 이상; 또는 70 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 교반 및/또는 초음파 처리하여 용해시킬 수 있다. 상기 코팅 조성물은, 활성층에 첨가되는 성분과 함께 용해되거나 또는 이들을 다른 용매에 용해시킨 용액과 혼합할 수 있다. 상기 용매는 상기 언급한 바와 같이, 친환경 용매이며, 예를 들어, 물, 알코올 또는 이 둘의 혼합물일 수 있다. The step of forming the coating composition is a temperature of the compound according to the invention above room temperature; 30°C or higher; 50°C or higher; 70°C or higher; Or it may be dissolved by stirring and / or ultrasonic treatment at a temperature of 70 ℃ to 100 ℃. The coating composition may be dissolved with a component added to the active layer or mixed with a solution in which they are dissolved in other solvents. The solvent, as mentioned above, is an environmentally friendly solvent, and may be, for example, water, alcohol, or a mixture of the two.
상기 기재는 유기전기소자에 따라 활성층이 형성되는 기재이며, 예를 들어,전극층, 또는 무기 박막, 유기 박막 또는 이 둘의 복합막일 수 있다. The substrate is a substrate on which an active layer is formed according to an organic electric device, and may be, for example, an electrode layer, an inorganic thin film, an organic thin film, or a composite film of the two.
상기 코팅하는 단계는, 스프레이 코팅법, 딥코팅법, 그래비어 코팅법, 리버스 오프셋 코팅법, 스크린 프린팅법, 슬롯-다이 코팅법 및 노즐프린팅법, 건식 전사 프린팅법(dry transfer printing), 스핀 코팅법, 잉크 분사법 등이 적용될 수 있다. The coating step, spray coating method, dip coating method, gravure coating method, reverse offset coating method, screen printing method, slot-die coating method and nozzle printing method, dry transfer printing method (dry transfer printing), spin coating Method, ink spraying method and the like can be applied.
상기 코팅하는 단계 이후에 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. After the coating step may further include a step of drying.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and comparative examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following examples.
물질matter
(1) PCBM (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, 99%)은 "NanoHoldings, Inc.,"에서 구입하였고 추가 처리 없이(as received)사용되었다. (1) PCBM (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, 99%) was purchased from "NanoHoldings, Inc.," and was used as received.
(2) 고분자 주개로 PPDT2FBT-A(poly[(2,5-bis(1,3-bis(2-(2-(2- methoxyethoxy)ethoxy)ethoxy)propan-2-yloxy)phenylene)-alt-(5,6-difluoro-4,7-di(thiophen-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole)])는, "Nguyen, T. L.; Leep, C.; Kirn, H.; Kim, Y.; Lee, W.; Oh, J. H.; Kim, B. J.; Woo, H. Y.,Ethanol-Processable, Highly Crystalline Conjugated Polymers for Eco-Friendly Fabrication of Organic Transistors and Solar Cells. Macromolecules 2017, 50, 4415-4424."을 참조하여 합성하였다. (2) PPDT2FBT-A(poly((2,5-bis(1,3-bis(2-(2-(2-methoxyethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)propan-2-yloxy)phenylene)-alt- (5,6-difluoro-4,7-di(thiophen-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole)]), "Nguyen, TL; Leep, C.; Kirn, H. ; Kim, Y.; Lee, W.; Oh, JH; Kim, BJ; Woo, HY, Ethanol-Processable, Highly Crystalline Conjugated Polymers for Eco-Friendly Fabrication of Organic Transistors and
(3) PNDIT-F3N(구조식 또는 명칭)은 “J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 20042013”을 참조하여 합성하였다.(3) PNDIT-F3N (structural formula or name) means “J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 20042013”.
제조예Manufacturing example
[스킴 1][Scheme 1]
제조예 1: 1,3-비스(3,6,9-트리옥사데카닐)글리콜 (1,3-bis(3,6,9-trioxadecanyl) glycerol) (1)의 합성 Preparation Example 1 Synthesis of 1,3-bis(3,6,9-trioxadecanyl)glycol (1,3-bis(3,6,9-trioxadecanyl) glycerol) (1)
스킴 1에 따라, 트리에틸렌 글리콜 모노메틸에테르 (Triethylene glycol monomethyl ether, 50 g, 0.31 mol)은 500 mL 2구 환저 플라스크 내에서 N2 분위에서 100 ℃에서 교반하였다. According to
100 ℃에 도달하면, Na (2.4 g, 0.11 mol)을 한 조각씩 천천히 첨가한다. Na 첨가 이전에 반응물 내에 수분을 제거하기 위해서 100 ℃에서 1시간 동안 유지하였고, 절단 이전에 Na in mineral oil에 보관된 것으로, 5 min 간격으로 플라스크 내에 Na을 첨가한다. When 100° C. is reached, Na (2.4 g, 0.11 mol) is slowly added piece by piece. To remove moisture in the reactant before adding Na, it was maintained at 100° C. for 1 hour, and stored in Na in mineral oil before cutting, and Na was added to the flask at 5 min intervals.
반응 혼합물을 80 ℃로 냉각하고 에피클로로하이드린(epichlorohydrin, 9.25 g, 0.11 mol)을 적하한 이후에, 100 ℃로 승온하고, 12 h 동안 교반하였다. 상온으로 냉각한 이후에 생성물을 용해시키기 위해서 DCM (200 mL)을 첨가하고 갈색빛 고체는 셀라이트를 통한 감압 여과로 제거하였다. 조생성물은 증류법으로 정제하여 투명한 액상의 생성물 (6: 17 g, 29%)을 획득하였다. 생성물의 1H NMR은 다음과 같다.The reaction mixture was cooled to 80°C, and epichlorohydrin (9.25 g, 0.11 mol) was added dropwise, followed by heating to 100°C and stirring for 12 h. After cooling to room temperature, DCM (200 mL) was added to dissolve the product and the brownish solid was removed by vacuum filtration through Celite. The crude product was purified by distillation to obtain a transparent liquid product (6: 17 g, 29%). 1 H NMR of the product is as follows.
1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ3.99-3.92 (m, 1H), 3.67-3.60 (m, 20H) 3.57-3.45 (m, 8H) 3.36 (s, 6H). 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ3.99-3.92 (m, 1H), 3.67-3.60 (m, 20H) 3.57-3.45 (m, 8H) 3.36 (s, 6H).
[스킴 2][Scheme 2]
제조예 2: OEG 토실레이트(OEG tosylates (2a-c))의 합성Preparation 2: Synthesis of OEG tosylates (2a-c)
OEG-치환된 토실레이트 (OEG-substituted tosylates, 2a-c)는 "Jung, S. H.; Kim, H. J., Supramolecular functionalization of single-walled carbon nanotubes with uncharged water-soluble porphyrins. J. Porphyrins Phthalocyanines 2008, 12, 109-115." 및 "Freudenberg, J.; Kumpf, J.; Schafer, V.; Sauter, E.; Worner, S. J.; Brodner, K.; Dreuw, A.; Bunz, U. H. F., Water-Soluble Cruciforms and Distyrylbenzenes: Synthesis, Characterization,and pH-Dependent Amine-Sensing Properties. J. Org. Chem. 2013, 78, 4949-4959"를 참조하여 합성하였다. OEG-substituted tosylates (2a-c) are described in "Jung, SH; Kim, HJ, Supramolecular functionalization of single-walled carbon nanotubes with uncharged water-soluble porphyrins.
스킴 2에 따라, NaOH (9.32 g, 0.21 mmol)는 500 mL 2구 환저 플라스크 내에서 각각 N2 하에서 THF (150 mL) 및 deionized (DI) water (40 mL)에서 용해하였다. 트리에틸렌글리콜 모노메틸 에테르 (Triethylene glycol monomethyl ether, 8.54 g, 42 mmol), 테트라에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 (tetraethylene glycol monomethyl ether, 9.33 g 42 mmol) 및 1,3-비스(3,6,9-트리옥사데카닐)글리세롤(1,3-bis(3,6,9-trioxadecanyl)glycerol, (6), 20.0 g, 42 mmol))는 각각 2a, b, 및 c를 합성하기 위한 출발 물질로 사용하였고, NaOH 용액을 분리하기 위해서 첨가되었다. According to Scheme 2, NaOH (9.32 g, 0.21 mmol) was dissolved in THF (150 mL) and deionized (DI) water (40 mL) under N 2 in a 500 mL two-neck round bottom flask, respectively. Triethylene glycol monomethyl ether (8.54 g, 42 mmol), tetraethylene glycol monomethyl ether (9.33 g 42 mmol) and 1,3-bis(3,6,9-tri Oxadecanyl)glycerol (1,3-bis(3,6,9-trioxadecanyl)glycerol, (6), 20.0 g, 42 mmol)) was used as a starting material for synthesizing 2a, b, and c, respectively. , NaOH solution was added to separate.
반응 혼합물은 0 ℃까지 냉각하고, THF (50 mL) 내에 용해된 p-톨루엔술포닐 클로라이드 (toluenesulfonyl chloride, 5.95 g, 31 mmol)를 각 혼합물에 적가하였다. 3 h 시간 이후에, 유기 화합물은 DCM으로 추출하고, 잔여 용액을 식염수로 세척하고, MgSO4로 수분을 제거하고 감압증발하여 투명한 오일 생성물 2a-c (2a: 12.7 g, 95%, 2b: 14.3 g, 94%, 2c: 25.5 g, 91%)을 획득하였다. The reaction mixture was cooled to 0° C. and p-toluenesulfonyl chloride (5.95 g, 31 mmol) dissolved in THF (50 mL) was added dropwise to each mixture. After 3 h hours, the organic compound was extracted with DCM, the remaining solution was washed with brine, water was removed with MgSO 4 and evaporated under reduced pressure to give a clear oil product 2a-c (2a: 12.7 g, 95%, 2b: 14.3 g). , 94%, 2c: 25.5 g, 91%).
2a: 1HNMR (400 MHz, CDCl3): δ7.81 (d, 2H), 7.35 (d, 2H) 4.16 (t, 2H) 3.70 (t, 2H) 3.62-3.54 (m, 6H) 3.54-3.52 (m, 2H) 3.37 (s, 3H) 2.45 (s, 3H).2a: 1 HNMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ7.81 (d, 2H), 7.35 (d, 2H) 4.16 (t, 2H) 3.70 (t, 2H) 3.62-3.54 (m, 6H) 3.54-3.52 (m, 2H) 3.37 (s, 3H) 2.45 (s, 3H).
2b: 1HNMR (400 MHz, CDCl3): δ7.65 (d, 2H), 7.22 (d, 2H) 4.00 (t, 2H) 3.57-3.35(m, 14H) 3.20 (s, 3H) 2.29 (s, 3H).2b: 1 HNMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ7.65 (d, 2H), 7.22 (d, 2H) 4.00 (t, 2H) 3.57-3.35 (m, 14H) 3.20 (s, 3H) 2.29 (s , 3H).
2c: 1HNMR (400 MHz, CDCl3): δ7.82 (d, 2H), 7.33 (d, 2H) 4.68 (qui, 1H) 3.65-3.50 (m, 28H) 3.37 (s, 6H) 2.43 (s, 3H).2c: 1 HNMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ7.82 (d, 2H), 7.33 (d, 2H) 4.68 (qui, 1H) 3.65-3.50 (m, 28H) 3.37 (s, 6H) 2.43 (s , 3H).
제조예 3: 3,4,5-OEG-벤조산 메틸에스테르(3,4,5-OEG-benzoic acid methyl esters (3a-c))의 합성Preparation Example 3: Synthesis of 3,4,5-OEG-benzoic acid methyl esters (3,4,5-OEG-benzoic acid methyl esters (3a-c))
3,4,5-OEG-벤조산 메틸에스테르 (3,4,5-OEG-benzoic acid methyl esters, 3a-c)는 "Jung, S. H.; Kim, H. J., Supramolecular functionalization of single-walled carbon nanotubes with uncharged water-soluble porphyrins. J. Porphyrins Phthalocyanines 2008, 12, 109-115." 및 "Freudenberg, J.; Kumpf, J.; Schafer, V.; Sauter, E.; Worner, S. J.; Brodner, K.; Dreuw, A.; Bunz, U. H. F., Water-Soluble Cruciforms and Distyrylbenzenes: Synthesis, Characterization,and pH-Dependent Amine-Sensing Properties. J. Org. Chem. 2013, 78, 4949-4959"를 참조하여 합성하였다. 3,4,5-OEG-benzoic acid methyl esters (3,4,5-OEG-benzoic acid methyl esters, 3a-c) are described as "Jung, SH; Kim, HJ, Supramolecular functionalization of single-walled carbon nanotubes with uncharged water -soluble porphyrins.
보다 구체적으로, 스킴 2를 참조하며, OEG 토실레이트 2a-c (27.6 mmol, 2a: 8.8 g, 2b: 10 g, 2c: 14.9 g)는 250 mL 3구 환저 플라스크에 첨가하고 잔여 수분을 제거하기 위해서 진공 건조하였다. 다음으로, anhydrous DMF(dimethylformamide, 50 mL)을 반응 플라스크에 각각 첨가하고 다음으로, K2CO3 (12.2 g, 88.3 mmol), KI (4.6 g, 27.6 mmol) 및 메틸 3,4,5-트리하이드록시벤조에이트(methyl 3,4,5-trihydroxybenzoate, 1 g, 5.52 mmol)을 첨가하였다. 반응 혼합물은 N2 하에서 밤새 환류하였다. 용액은 DCM (~200 mL) 내에 붓고 DI water (~50 mL)로 세척하였다. 유기물층은 50 mL 식염수로 여러번 세정하고 MgSO4로 수분을 제거하였다. 여과하여 MgSO4를 제거한 이후에, 유기 용매는 감압 증발로 제거하고, 무색 오일 잔여물(3a: 1.3 g, 37%, 3b: 1.5 g, 36%, 3c: 3.9 g, 33%)을 획득하였다. More specifically, referring to Scheme 2, OEG tosylate 2a-c (27.6 mmol, 2a: 8.8 g, 2b: 10 g, 2c: 14.9 g) is added to a 250 mL 3-neck round bottom flask to remove residual moisture. For vacuum drying. Next, anhydrous DMF (dimethylformamide, 50 mL) was added to the reaction flask, respectively, and K 2 CO 3 (12.2 g, 88.3 mmol), KI (4.6 g, 27.6 mmol) and
3a: MALDI-TOF MS: calculated for C29H50O14 622.7; found: 645.2 g mol-1(Na+)3a: MALDI-TOF MS: calculated for C 29 H 50 O 14 622.7; found: 645.2 g mol -1 (Na + )
3b: MALDI-TOF MS: calculated for C35H62O17 754.9; found: 777.4 gmol-1(Na+)3b: MALDI-TOF MS: calculated for C 3 5H 62 O 17 754.9; found: 777.4 gmol -1 (Na + )
3c: MALDI-TOF MS: calculated for C59H110O29 1283.5; found: 1306.1 gmol-1(Na+)3c: MALDI-TOF MS: calculated for C 59 H 110 O 29 1283.5; found: 1306.1 gmol -1 (Na + )
제조예 4: 3,4,5-OEG-벤질 알콜(3,4,5-OEG-benzyl alcohol) (4a-c)의 합성 Preparation Example 4 Synthesis of 3,4,5-OEG-benzyl alcohol (3,4,5-OEG-benzyl alcohol) (4a-c)
스킴 2를 참조하여, 2.65 mmol의 3a-c (3a: 1.6 g, 3b: 2 g 및 3c: 3.4 g)는 100 mL 3구 환저 플라스크 내에 N2 가스 하에서 건조 THF (50 mL)로 용해하였다. LiAlH4 용액 (2.0 M in dry THF, 2 mL)은, 상기 용액 내에 적가하였다. 혼합물은 상온에서 밤새 교반하였고, 잔여 리튬알루미늄하이드라이드는 0 ℃에서 DI water를 천천히 첨가하여 퀀칭하였다. 200 mL의 DCM 내에 생성물을 희석하고, 리튬염을 여과한 이후에 DI water 및 식염수(~50 mL)로 세척하였다. 유기층은 MgSO4로 수분을 제거한 이후 여과하고 감압 하에서 수집하여 무색 오일 4a-c (4a: 1.5 g, 97%, 4b: 1.7 g, 92%, 4c: 3.2 g, 97%)을 획득하였다. Referring to Scheme 2, 2.65 mmol of 3a-c (3a: 1.6 g, 3b: 2 g and 3c: 3.4 g) were dissolved in dry THF (50 mL) under N 2 gas in a 100 mL three-neck round bottom flask. LiAlH 4 solution (2.0 M in dry THF, 2 mL) was added dropwise into the solution. The mixture was stirred overnight at room temperature, and the residual lithium aluminum hydride was quenched by slowly adding DI water at 0°C. The product was diluted in 200 mL of DCM, and the lithium salt was filtered and then washed with DI water and brine (~50 mL). The organic layer was filtered after removing moisture with MgSO 4 and collected under reduced pressure to obtain a colorless oil 4a-c (4a: 1.5 g, 97%, 4b: 1.7 g, 92%, 4c: 3.2 g, 97%).
4a: MALDI-TOF MS: calculated for C28H50O13 594.7; found: 616.9 gmol-1(Na+)4a: MALDI-TOF MS: calculated for C 28 H 50 O 13 594.7; found: 616.9 gmol -1 (Na + )
4b: MALDI-TOF MS: calculated for C34H62O16 726.9; found: 733.0 gmol-1(Li+)4b: MALDI-TOF MS: calculated for C 34 H 62 O 16 726.9; found: 733.0 gmol -1 ( Li + )
4c: MALDI-TOF MS: calculated for C58H110O28 1255.5; found: 1277.3 gmol-1(Na+)4c: MALDI-TOF MS: calculated for C 58 H 110 O 28 1255.5; found: 1277.3 gmol -1 ( Na + )
[스킴 3][Scheme 3]
실시예 1: PCBO12 (6a)의 합성Example 1: Synthesis of PCBO12 (6a)
(1) [6,6]-페닐-C61-부티르산([6,6]-phenyl-C61-butyric acid (PCBA)(5))의 합성 (1) Synthesis of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid (PCBA)(5))
PCBA (5)는, "Qu, S. X.; Li, M. H.; Xie, L. X.; Huang, X.; Yang, J. G.; Wang, N.; Yang, S. F., Noncovalent Functionalization of Graphene Attaching [6,6]-Phenyl-C61-butyric Acid Methyl Ester (PCBM) and Application as Electron Extraction Layer of Polymer Solar Cells. ACS Nano 2013, 7, 4070-4081"을 참조하여 합성하였다.PCBA (5), "Qu, SX; Li, MH; Xie, LX; Huang, X.; Yang, JG; Wang, N.; Yang, SF, Noncovalent Functionalization of Graphene Attaching [6,6]-Phenyl- C61-butyric Acid Methyl Ester (PCBM) and Application as Electron Extraction Layer of Polymer Solar Cells.ACS Nano 2013, 7, 4070-4081.
보다 구체적으로, 스킴 3을 참조하면, PCBM (1 g)는 500 mL 환저 플라스크 내에서 톨루엔 (200 mL) 내에 용해시키고 N2 하에서 교반하고, HCl (35 wt.% aqueous solution, 50 mL) 및 아세트산 (acetic acid, 100 mL)을 첨가하였다. 혼합물은 12 h 동안 환류한 이후에 상온에서 냉각하고 DI water로 세정한 이후에 MgSO4로 수분을 제거하였다. MgSO4의 제거 이후에, 유기층은 여과하고 풀러렌에 부분적으로 흡착된 MgSO4를 제거하기 위해서 CS2로 세정하였다. 최종적으로 PCBA는 용리액으로 toluene/methanol/acetic acid를 사용하여 실리카 겔 크로마토그래피로 정제하였다. MALDI-TOF MS:calculated for C71H12O2 896.9; found: 897.3 gmol-1(M+).More specifically, referring to
(2) PCBO12 (6a)의 합성 (2) Synthesis of PCBO12 (6a)
상기 제조된 PCBA (5, 300 mg)는 N2 하에서 2 h 동안 130 ℃에서 ODCB (200 mL) 내에서 용해하였다. 혼합물은 상온으로 냉각한 이후에 4a (433 mg) 및 DMAP (18 mg)이 첨가되고 혼합물은 4a 및 DMAP를 용해시키기 위해서 15 min 동안 교반하였다. DCC (92 mg)가 첨가되고, 혼합물은 3 시간 동안 교반하였다. 정제 이후에 갈색빛 분말의 PCBO12를 획득하였다 (140 mg, 29%).The prepared PCBA (5, 300 mg) was dissolved in ODCB (200 mL) at 130° C. for 2 h under N 2 . After cooling to room temperature, 4a (433 mg) and DMAP (18 mg) were added and the mixture was stirred for 15 min to dissolve 4a and DMAP. DCC (92 mg) was added and the mixture was stirred for 3 hours. After purification, a brownish powder of PCBO12 was obtained (140 mg, 29%).
1HNMR (400 MHz, CDCl3): δ7.92 (d, 2H) 7.53 (t, 2H) 7.46 (t, 1H) 6.56 (s, 2H) 4.98(s, 2H) 4.13 (m, 6H) 3.83-3.54 (m, 30H) 3.36 (s, 9H) 2.91 (t, 2H) 2.56 (t, 2H) 2.19 (qui, 2H). 1 HNMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ7.92 (d, 2H) 7.53 (t, 2H) 7.46 (t, 1H) 6.56 (s, 2H) 4.98(s, 2H) 4.13 (m, 6H) 3.83- 3.54 (m, 30H) 3.36 (s, 9H) 2.91 (t, 2H) 2.56 (t, 2H) 2.19 (qui, 2H).
MALDI-TOF MS: calculated for C99H50O14 1473.5; found: 1473.8 gmol-1(M+)MALDI-TOF MS: calculated for C 99 H 50 O 14 1473.5; found: 1473.8 gmol -1 (M+)
실시예 2: PCBO15 (6b)의 합성 Example 2: Synthesis of PCBO15 (6b)
실시예 1에 제조된 PCBA (5, 300 mg)는, N2 하에서 2 h 동안 130 ℃ 온도에서 ODCB (200 mL) 내에 용해시켰다. 혼합물은 상온으로 냉각한 이후에 4b (530 mg) 및 DMAP (18 mg)이 첨가되고, 혼합물은 15 min 동안 교반하였다. DCC (92 mg)이 첨가되고 혼합물은 3 시간 동안 교반하였다. 정제 이후에 갈색의 점성액의 PCBO15(210 mg, 39%)을 획득하였다. The PCBA (5, 300 mg) prepared in Example 1 was dissolved in ODCB (200 mL) at 130° C. temperature for 2 h under N2. After the mixture was cooled to room temperature, 4b (530 mg) and DMAP (18 mg) were added, and the mixture was stirred for 15 min. DCC (92 mg) was added and the mixture was stirred for 3 hours. After purification, brownish viscous PCBO15 (210 mg, 39%) was obtained.
1HNMR (400 MHz, CDCl3): δ7.92 (d, 2H) 7.53 (t, 2H) 7.46 (t, 1H) 6.56 (s, 2H) 4.98(s, 2H) 4.13 (m, 6H) 3.83-3.55 (m, 45H) 3.37 (s, 9H) 2.92 (t, 2H) 2.57 (t, 2H) 2.20 (qui, 2H) 1 HNMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ7.92 (d, 2H) 7.53 (t, 2H) 7.46 (t, 1H) 6.56 (s, 2H) 4.98(s, 2H) 4.13 (m, 6H) 3.83- 3.55 (m, 45H) 3.37 (s, 9H) 2.92 (t, 2H) 2.57 (t, 2H) 2.20 (qui, 2H)
MALDI-TOF MS: calculated for C105H72O17 1605.7; found: 1606.1 gmol-1(M+)MALDI-TOF MS: calculated for C 105 H 72 O 17 1605.7; found: 1606.1 gmol -1 (M+)
실시예 3: PCBO27 (6c)의 합성Example 3: Synthesis of PCBO27 (6c)
실시예 1에서 제조된 PCBA (5, 300 mg)는 N2 하에서 2 h 동안 130 ℃에서 ODCB (200 mL) 내에 용해시켰다. 혼합물은 상온으로 냉각하고 4c (914 mg) 및 DMAP (18 mg)을 첨가한 이후에 4c 및 DMAP이 용해되도록 15 min 동안 교반하였다. DCC (92 mg)이 첨가되고 혼합물을 3 시간 동안 교반하였다. 정제 이후에, 갈색의 점성액의 PCBO27(430 mg, 60%)을 획득하였다. The PCBA (5, 300 mg) prepared in Example 1 was dissolved in ODCB (200 mL) at 130° C. for 2 h under N 2 . The mixture was cooled to room temperature and 4c (914 mg) and DMAP (18 mg) were added, followed by stirring for 15 min to dissolve 4c and DMAP. DCC (92 mg) was added and the mixture was stirred for 3 hours. After purification, brownish viscous PCBO27 (430 mg, 60%) was obtained.
1HNMR (400 MHz, CDCl3): δ7.92 (d, 2H) 7.55 (t, 2H) 7.47 (t, 1H) 6.65 (s, 2H) 4.95(s, 2H) 4.47 (m, 3H) 3.63-3.53 (m, 84H) 3.37 (s, 18H) 2.93 (t, 2H) 2.57 (t, 2H) 2.20 (qui, 2H) 1 HNMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ7.92 (d, 2H) 7.55 (t, 2H) 7.47 (t, 1H) 6.65 (s, 2H) 4.95 (s, 2H) 4.47 (m, 3H) 3.63- 3.53 (m, 84H) 3.37 (s, 18H) 2.93 (t, 2H) 2.57 (t, 2H) 2.20 (qui, 2H)
MALDI-TOF MS: calculated for C129H120O29 2134.3; found: 2133.4 gmol-1(M+)MALDI-TOF MS: calculated for C 129 H 120 O 29 2134.3; found: 2133.4 gmol -1 (M+)
실시예 4: 역구조 형태의 친환경 유기태양전지 소자(eco-PSCs)의 제조Example 4: Preparation of eco-PSCs of eco-friendly organic solar cells in reverse structure
도 1에 제시하 바와 같이, Eco-PSC는 에탄올 및 물 혼합물을 사용하여 역구조(inverted architecture: ITO/ZnO/활성층/MoO3/Ag)로 제조되었다. 보다 구체적으로, MoOx/Ag의 열 증착을 제외한 모든 공정은, 대기 조건에서 수행되었다. ITO 코팅 유리 기판을 아세톤, DI 물 및 IPA 내에서 초음파 처리하고, 80 ℃에서 수 시간 동안 건조시키고, ZnO 층을 스핀 코팅하기 전에 UV 오존 (10 분) 처리하였다. ZnO 층은 ZnO 용액을 사용하여 ITO 기판 상에 스핀-코팅으로 증착되고, 코팅된 기판을 대기 조건 하에서 215 ℃에서 15 분 동안 어닐링하였다. As shown in FIG. 1, Eco-PSC was prepared with an inverted architecture (ITO/ZnO/active layer/MoO 3 /Ag) using a mixture of ethanol and water. More specifically, all the processes except for the thermal vapor deposition of MoOx/Ag were performed under atmospheric conditions. The ITO coated glass substrate was sonicated in acetone, DI water and IPA, dried for several hours at 80° C. and UV ozone (10 min) treated before spin coating the ZnO layer. The ZnO layer was deposited by spin-coating on an ITO substrate using a ZnO solution, and the coated substrate was annealed at 215° C. for 15 minutes under atmospheric conditions.
고분자 주개 PPDT2FBT-A((Mn=20.5 kDa, Mw=51.5 kDa, polystyrene standards by size exclusion chromatography) 및 실시예에서 제조된 고분자 받개를 각각 에탄올/물 혼합물(용해도 평가 1의 88:12(v/v) 또는 용해도 평가 2의 표 1에 나타낸 혼합비)에 용해시켰다. 각 혼합물의 농도는 PPDT2FBT-A에 대해 4-5 mgml-1 이고, 최적화된 PPDT2FBT-A:PCBOs 비율은, 1:2.5 (w/w)(PPDT2FBT-A:PCBO12) 및 1:2 (w/w)(PPDT2FBT-A:PCBO15 및 PPDT2FBT-A:PCBO27)이다. 혼합 용액을 80 ℃내지 90 ℃에서 1시간 동안 교반하였다. The polymer donor PPDT2FBT-A ((Mn=20.5 kDa, Mw=51.5 kDa, polystyrene standards by size exclusion chromatography) and the polymer acceptor prepared in the examples were respectively ethanol/water mixture (88:12 of solubility evaluation 1 (v/v ) Or the mixing ratio shown in Table 1 of Solubility Assessment 2. The concentration of each mixture is 4-5 mgml -1 for PPDT2FBT-A, and the optimized PPDT2FBT-A:PCBOs ratio is 1:2.5 (w/ w) (PPDT2FBT-A:PCBO12) and 1:2 (w/w) (PPDT2FBT-A:PCBO15 and PPDT2FBT-A:PCBO27) The mixed solution was stirred at 80°C to 90°C for 1 hour.
이어서, ITO/ZnO 기판을 80 ℃내지 90 ℃에서 5 내지 10 분 동안 가열한 이후에 대기 조건 하에서 3000 rpm으로 40 초 동안 스핀-코팅하여 70 nm-90 nm의 두께를 갖는 활성층을 획득하였다. Subsequently, the ITO/ZnO substrate was heated at 80° C. to 90° C. for 5 to 10 minutes, followed by spin-coating at 3000 rpm for 40 seconds under atmospheric conditions to obtain an active layer having a thickness of 70 nm-90 nm.
최종적으로, 기판을 고진공 (<10-6 Torr)의 증발 챔버 내에 1시간 동안 넣어두고, MoO3층 (10nm) 및 상부 전극 Ag (120nm)를 증착하였다. 디바이스의 활성층 영역의 면적은 0.09 cm2이다. 디바이스의 전류-전압 (J-V) 특성은, 대기 조건 하에서 AM 1.5 G 태양 조사 하에서 측정되었다. Finally, the substrate was placed in a high vacuum (<10 -6 Torr) evaporation chamber for 1 hour, and a MoO 3 layer (10 nm) and an upper electrode Ag (120 nm) were deposited. The area of the active layer region of the device is 0.09 cm 2 . The current-voltage (JV) characteristics of the device were measured under AM 1.5 G solar irradiation under atmospheric conditions.
실시예 5: 정구조 형태의 친환경 유기태양전지 소자(eco-PSCs)의 제조Example 5: Preparation of eco-PSCs as an organic solar cell device in the form of a regular structure
도 1에서 제시한 바와 같이, ITO/PEDOT : PSS (+0.1 부피 % GOPS) /활성층/ PNDIT-F3N/Ag 구조를 갖는 정구조 형태의 친환경 PSC를 제조하였다.As shown in Figure 1, ITO / PEDOT: PSS (+0.1% by volume GOPS) / active layer / PNDIT-F3N / Ag structure was prepared in the form of an environmentally friendly PSC having a structure.
보다 구체적으로, ITO 기판을 초음파 처리하고, 아세톤, 탈이온수 및 이소프로필 알코올 용매로 세척한 이후에, 기판을 80 ℃오븐에서 20 분 동안 건조하였다. 다음으로, ITO 기판을 PEDOT : PSS 층을 스핀 코팅하기 전에 UV 오존 (10 분)으로 처리하였다. GOPS 가교 결합제 0.1 부피 %를 함유하는 PEDOT : PSS 용액을 40 초 동안 3000 rpm에서 ITO 기판 상에 스핀 코팅하여 40 nm 두께의 PEDOT : PSS 층을 제조한 이후에, PEDOT : PSS 층을 주변 조건에서 150 ℃에서 30 분 이상 어닐링하여 필름을 완전히 가교시키고, N2로 충진된 글로브 박스로 옮겼다.More specifically, after the ITO substrate was sonicated and washed with acetone, deionized water and isopropyl alcohol solvent, the substrate was dried in an oven at 80° C. for 20 minutes. Next, the ITO substrate was treated with UV ozone (10 minutes) before spin coating the PEDOT:PSS layer. After preparing a 40 nm thick PEDOT:PSS layer by spin coating a PEDOT:PSS solution containing 0.1% by volume of the GOPS crosslinker on an ITO substrate at 3000 rpm for 40 seconds, the PEDOT:PSS layer was 150 at ambient conditions. The film was completely crosslinked by annealing at 30° C. for at least 30 minutes and transferred to a glove box filled with N 2.
전자주개 PPDT2FBT-A 및 실시예에서 제조된 전자받개를 물/에탄올 혼합 용매(용해도 평가 1의 88:12(v/v) 또는 용해도 평가 2의 표 2에 나타낸 혼합비)에 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 전자 주개 대 전자 받개의 혼합비율은 1:2.5 (w/w)(D:A)이고, 혼합용액에서 전자주개의 농도는 4 mg mL-1이다. 상기 혼합 용액을 80 ℃의 핫 플레이트에서 1 시간 동안 교반하였다. 이 혼합 용액을 ITO/PEDOT : PSS 기판 위에 2000 rpm으로 40 초 동안 스핀 코팅하였다. 제조된 친환경 PSC의 두께는 AFM 측정에 의해 60 ~ 70 nm로 측정되고, 고진공 조건 하에서 밤새 건조하여 잔류 용매를 제거하였다. 다음으로, PNDIT-F3N 중합체를 미량의 아세트산과 함께 메탄올에 용해시킨 코팅액을 제조하고, 주변 조건 하에서, 코팅액을 2000 rpm에서 60 초 동안 활성층 상에 스핀 코팅 하였다. 기판을 약1 시간 동안 고진공 (<10-6Torr) 하에서 증발 챔버에 넣고 120nm 두께의 Ag 전극을 증착시켰다. 제조된 소자의 활성 영역은 광학 현미경에 의해 0.164 cm2이다.The electron donor PPDT2FBT-A and the electron acceptor prepared in the Examples were added to a water/ethanol mixed solvent (88:12 (v/v) of
용해도 측정Solubility measurement
(1) 실시예 1 내지 4에서 제조된 풀러렌 유도체는 각각 88:12 (v/v) 에탄올/물 혼합 용매 내(상온)에서 용해도를 측정하였다. 용해도는 친수성 OEG side chains의 길이에 따라 점진적으로 증가하며, 즉, PCBO12, PCBO15 및 PCBO27는 각각 11±1, 83±4 및 197±3 mg mL-1이다. (1) The fullerene derivatives prepared in Examples 1 to 4 were measured for solubility in a mixed solvent of 88:12 (v/v) ethanol/water (at room temperature), respectively. Solubility gradually increases with the length of the hydrophilic OEG side chains, ie, PCBO12, PCBO15 and PCBO27 are 11±1, 83±4 and 197±3 mg mL -1, respectively.
(2) PCBO12는 하기의 표 1과 같이 에탄올 및 물의 혼합비에 따른 용해도를 측정하여 나타내었다. (2) PCBO12 is shown by measuring the solubility according to the mixing ratio of ethanol and water as shown in Table 1 below.
(vol%)Water in Co-Solvent
(vol%)
(mol%)Water in Co-Solvent a
(mol%)
(mg mL-1)Solubility
(mg mL -1 )
친환경 유기태양전지 소자(eco-PSCs)의 전기적 특성Electrical properties of eco-friendly organic solar cell devices (eco-PSCs)
PPDT2FBT-A : PCBOs 혼합 필름의 두께는 원자힘 현미경 (AFM, FM, Veeco Dimension 3100 instrument in tapping mode) 및 표면 프로파일러(Detak-8, Veeco)를 이용하여 측정하였다.PPDT2FBT-A: The thickness of the PCBOs mixed film was measured using an atomic force microscope (AFM, FM, Veeco Dimension 3100 instrument in tapping mode) and a surface profiler (Detak-8, Veeco).
장치의 전류밀도-전압(J-V) 특성은, mWcm-2, AM 1.5G 태양 조사(100 Peccell Technologies, Inc., PEC-L01, 100 mWcm-2, solar simulator: K201 LAB55, McScience) 및 대기 조건에서 Keithley 2400 SMU에 의해 측정하였다. 이 태양 시뮬레이터 시스템은 AAB, ASTM 표준 클래스를 충족한다. 태양 시뮬레이터의 강도는 KG-5 visible color filter를 장착한 표준 실리콘 기준셀을 이용하여 보정하였다. The current density-voltage (JV) characteristic of the device is mWcm -2 , AM 1.5G solar irradiation (100 Peccell Technologies, Inc., PEC-L01, 100 mWcm -2 , solar simulator: K201 LAB55, McScience) and atmospheric conditions. Measured by Keithley 2400 SMU. This solar simulator system meets AAB, ASTM standard classes. The intensity of the solar simulator was calibrated using a standard silicon reference cell equipped with a KG-5 visible color filter.
Monochromator (Newport) 및 광학 초퍼 (MC2000, 미국)에 의해 필터링된 300W 크세논 아크 램프의 단색 광원이 장착된 분광 측정 시스템 (K3100 IQX, MacScience, Inc.)에서 외부 양자 효율 (External quantum efficiency, EQE) Thorlabs)이 측정되었다. External quantum efficiency (EQE) Thorlabs in a spectroscopic measurement system (K3100 IQX, MacScience, Inc.) equipped with a monochromatic light source of a 300 W xenon arc lamp filtered by a monochromator (Newport) and an optical chopper (MC2000, USA) ) Was measured.
Jsc 값은 AM 1.5G 태양 스펙트럼이 장착된 EQE 측정기으로부터 계산되었으며, 값은 5 % 오차 범위 내에서 측정된 Jsc 값과 일치한다. PCBO의 전자 이동도(electron mobilities)는, PCBOs/LiF/Al의 ITO/ZnO/pristine 필름의 전자-전용 장치 구조를 이용하여 SCLC(space-charge-limited current) 방법을 이용하여 측정되었다. PCBOs는 88:12 (v/v) 에탄올/물 혼합물에 용해되었고, 대기 조건(공기)에서 ZnO 층 상에 스핀 코팅되었다.The J sc values were calculated from an EQE meter equipped with an AM 1.5G solar spectrum, and the values matched the J sc values measured within a 5% error range. Electron mobilities of PCBO were measured using a space-charge-limited current (SCLC) method using an electron-only device structure of ITO/ZnO/pristine films of PCBOs/LiF/Al. PCBOs were dissolved in a 88:12 (v/v) ethanol/water mixture and spin coated onto the ZnO layer in atmospheric conditions (air).
동일한 대기 조건에서 0 내지 8V 범위에서 전류 전압 측정이 이루어지고, 결과는 다음의 Mott-Gurney 방정식에 의해서 맞추어졌다. Current voltage measurements were made in the range of 0 to 8 V under the same atmospheric conditions, and the results were fit by the following Mott-Gurney equation.
JSCLC = 9εε0 μ V2 (8L)-3 J SCLC = 9εε 0 μ V 2 (8L) -3
ε0는 자유의 유전율, ε은 활성층의 유전 상수, μ는 전하-캐리어 이동도, V는 (V = Vappl-Vbi-Vrs)의 직렬 저항 Vrs 및 내부 확산 전위(built-in potential) Vbi에 따른 잠재적 손실을 고려한 소자 양단의 전위이고, L은 PCBO 층 두께이다. ε 0 is the dielectric constant of the free, ε is the dielectric constant of the active layer, μ is the charge-carrier mobility, V is the series resistance V rs and the built-in potential of (V = V appl -V bi -V rs ) ) V is the potential across the device taking into account the potential losses due to bi , and L is the PCBO layer thickness.
결과result
(1) 친환경 유기태양전지 소자의 전기적 특성(1) Electrical characteristics of eco-friendly organic solar cell devices
88:12 (v/v) 에탄올/물 혼합 용매를 적용한 유기태양전지 소자를 평가한 결과는, 도 2에 나타내었다. 도 2에서 OEG 기가 제일 적게 도입된 PCBO12 를 전자 받개로 사용한 시스템에서 가장 높은 효율 (1.4%)을 나타내고 있다. 이는 기존에 보고된 친환경 용매를 사용한 유기태양전지 소자 효율 중 가장 높은 효율이며, OEG side chain이 길어질수록 효율이 감소하는 원인은 소자 내에서의 전류밀도 값이 감소하기 때문이다.The result of evaluating the organic solar cell device to which the 88:12 (v/v) ethanol/water mixed solvent was applied is shown in FIG. 2. In FIG. 2, the highest efficiency (1.4%) is shown in a system using PCBO12 with the lowest OEG group as an electron acceptor. This is the highest efficiency of the organic solar cell device efficiency using the previously reported eco-friendly solvent, and the longer the OEG side chain is, the lower the efficiency is because the current density value in the device decreases.
(2) 풀러렌 유도체 별 친환경 유기태양전지 소자 성능 및 전하 이동도(2) Eco-friendly organic solar cell device performance and charge mobility by fullerene derivative
(a) 88:12 (v/v) 에탄올/물 혼합 용매를 적용한 유기태양전지 소자에서 풀러렌 유도체에 따른 친환경 유기태양전지 소자 성능 및 전하 이동도는, 표 2에 나타내었다. 표 2에서 OEG side chain이 짧고, 적게 달릴수록 풀러렌 분자들 간의 팩킹 (packing)능력이 좋아지고, 전자가 이동할 수 있는 채널을 잘 형성하여 전자 이동도가 높아져 전류 밀도가 상승에 기인한 것으로 예측할 수 있다. 실제로 전하 이동도의 평가에서 PCBO12가 가장 높은 전하 이동도를 보여주고 있음을 확인할 수 있다. (a) 88:12 (v/v) Eco-friendly organic solar cell device performance and charge mobility according to fullerene derivatives in an organic solar cell device to which an ethanol/water mixture solvent was applied are shown in Table 2. In Table 2, the shorter and shorter the OEG side chain is, the better the packing ability between fullerene molecules is, and it can be predicted that the electron density increases due to the well formed channel through which electrons can move, resulting in an increase in current density. have. In fact, in the evaluation of charge mobility, it can be confirmed that PCBO12 shows the highest charge mobility.
(b) 실시예 5의 정구조 형태의 유기태양전지 소자에서 물의 혼합비에 따른 별 친환경 유기태양전지 소자 성능 및 전하 이동도는, 표 3에 나타내었다. 또한, 표 2의 Water-25에 대한 실시예 4의 역구조 및 실시예 5의 정구조의 유기태양전지 소자 성능 및 전하 이동도를 비교하여 표 4에 나타내었다. (b) The performance and charge mobility of the environment-friendly organic solar cell device according to the mixing ratio of water in the organic solar cell device having the structure of Example 5 are shown in Table 3. In addition, the performance and charge mobility of the organic solar cell device of the reverse structure of Example 4 and the positive structure of Example 5 for Water-25 in Table 2 are compared and shown in Table 4.
(V) V oc
( V )
(mA cm-2) J sc
(mA cm -2 )
(PCEavg a)
(%)PCE max
(PCE avg a )
(%)
(mA cm-2)Calculated J sc
(mA cm -2 )
(10 vol%)Water-10
(10 vol%)
(15 vol%)Water-15
(15 vol%)
(25vol%)Water-25
(25vol%)
(35 vol%)Water-35
(35 vol%)
표 3 및 표 4에서 광활성층에 같은 물질 (전자 주개: PPDT2FBT-A, 전자 받개: PCBO12)을 사용하여 각 소자 구조로 친환경 유기태양전지를 제작 및 성능 비교를 해본 결과, 정구조 태양전지에서 우수한 효율을 나타내고 있고, 더욱이, Water-25의 디바이스에서 역구조 (PCE= 1.40%)에 비해 정구조 태양전지 소자에서 비약적으로 높은 효율 (PCE= 2.05%)을 얻을 수 있고, 이는 현재까지 보고된 물/에탄올 기반 유기태양전지 중 최고 효율이다. In Table 3 and Table 4, the same material (electron donor: PPDT2FBT-A, electron acceptor: PCBO12) was used for the photoactive layer to produce and produce eco-friendly organic solar cells with each device structure. Efficiency, furthermore, it is possible to obtain significantly higher efficiency (PCE= 2.05%) in a solar cell device of a fixed structure compared to an inverse structure (PCE= 1.40%) in a device of Water-25, which has been reported to date. / It is the highest efficiency among ethanol-based organic solar cells.
(3) OEG side chain 길이에 따른 풀러렌 유도체들의 박막에서의 모폴로지 분석 결과 (GIWAXS)(3) Morphology analysis results of thin films of fullerene derivatives according to OEG side chain length (GIWAXS)
도 3을 살펴보면, 실제로 OEG side chain이 짧게 달릴수록 풀러렌 분자들간의 팩킹 정도가 차이가 있는 지를 GIWAXS (grazing incidence wide angle X-ray scattering) 분석을 통해 확인할 수 있다. 즉, PCBO12가 박막 상태에서 가장 규칙적인 팩킹을 보이는 것을 확인할 수 있고, PPDT2FBT-A와의 혼합 필름 (blend film, 광활성층, 도 4)에서도 동일한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 즉, OEG side chain 이 가장 짧게 달림으로써 (PCBO12) 풀러렌 분자들 간의 잘 정렬된 팩킹 구조(packing structure)를 가지게 되고, 이는 혼합물 내에서 전자 수송 채널의 형성이 잘 이루어진다. Referring to FIG. 3, it can be confirmed through GIWAXS (grazing incidence wide angle X-ray scattering) analysis that the packing degree between fullerene molecules differs as the OEG side chain runs shorter. That is, it can be confirmed that PCBO12 shows the most regular packing in the thin film state, and also shows the same tendency in a mixed film with PPDT2FBT-A (blend film, photoactive layer, FIG. 4). That is, as the OEG side chain runs the shortest (PCBO12), it has a well-aligned packing structure between fullerene molecules, and electron transport channels are well formed in the mixture.
또한, 이는 풀러렌이 전-고분자 유기태양전지에 첨가되었을 때 전류 밀도가 향상될 수 있었던 것은, 고분자 전자 주개와 고분자 전자 받개의 계면에 위치하는 혼합상 (mixing phase)을 형성하여 고분자-고분자 계면에서의 전하 분리를 도와서 소자의 전기적 특성이 향상된 것으로 예측할 수 있다.In addition, when fullerene was added to the pre-polymer organic solar cell, the current density could be improved by forming a mixing phase located at the interface between the polymer electron donor and the polymer electron acceptor to form a polymer-polymer interface at the polymer-polymer interface. It can be predicted that the electrical properties of the device are improved by helping to separate the charges of the.
(4) 대기 안정성의 평가 (4) Evaluation of atmospheric stability
표 2의 Water-15의 혼합 용매로 제조된 PPDT2FBT-A : PC61BO12의 유기태양전지는 보호 캡슐 없이 대기 조건의 암실에서 일정 시간 동안 보관하고 일정 시간별로 PCE의 값을 측정하였다. 도 5를 살펴보면, PPDT2FBT-A : PC61BO12의 유기태양전지는 초기 PCE가 95 %로 유지되는 것을 확인하였고, 이는 270 시간 이상의 기간 동안 대기 노출하여도 우수한 대기 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있다. The organic solar cell of PPDT2FBT-A: PC 61 BO 12 prepared with a mixed solvent of Water-15 in Table 2 was stored in a dark room under atmospheric conditions without a protective capsule, and the value of PCE was measured for each period. 5, it was confirmed that the organic solar cell of PPDT2FBT-A: PC 61 BO 12 maintains the initial PCE at 95%, which has excellent atmospheric stability even when exposed to air for a period of 270 hours or more.
이러한 우수한 대기 안정성은 정구조 형태의 유기태양전지에서 친수성 활성물질과 정공/전자수송 중간층(즉, PEDOT : PSS 및 PNDIT-F3N) 간의 향상된 계면접착 특성에 기인한 것으로 예측할 수 있다. This excellent atmospheric stability can be expected to be attributed to the improved interfacial adhesion properties between the hydrophilic active material and the hole/electron transport intermediate layer (ie, PEDOT: PSS and PNDIT-F3N) in the organic solar cell having a structure.
종합해도면, 본 발명은, 친환경적인 에탄올/물의 혼합 용매를 이용하여 소자 제조 공정에 활용될 수 있는 3개의 GOE-치환된 풀러렌 단일-부가물(GOE-substituted fullerene mono-adducts)를 제공할 수 있다. 즉, 상이한 구조 및 길이를 갖는 OEG side chains를 갖는 PCBO12, PCBO15 및 PCBO27의 풀러렌 유도체의 광학 및 전기화학적 특성 및 이를 이용하여 대기 조건 하에서 에탄올/물 혼합 용매를 이용하여 eco-PSCs를 제조할 수 있다. PCBO12-기반 eco-PSCs는 3종류의 활성층 혼합물에 비하여 1.40 %의 가장 높은 PCE를 나타낸다. 높은 디바이스 성능을 갖는 PCBO12-기반 eco-PSCs은, PCBO12, 단일 부가물의 높은 전기 이동도에 의한 것이고, 짧은, 선형 OEG side groups에 의해서 감소된 입체 장해에 의해 더 치밀하게 팩킹된 PCBO 도메인을 가능하게 한다. PPDT2FBT-A:PCBO12는 최소 전하 재결합 및 우수한 전하 이동 특성을 가지며, 더욱이, PCBO12 및 PCBO15 필름의 순도가 높을 수록 더 효율적인 전하 수송이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 고효율의 eco-PSCs를 달성하는데 적합한 높은 캐리어 이동도를 갖는 수성 공정이 가능한 전기활성 물질(aqueous-processable electroactive materials)를 제공할 수 있다. 더욱이, 물/에탄올 공정 기반 유기태양전지에서 처음으로 정구조 (normal type) 소자 구조를 채택함으로써 소자 성능을 비약적으로 향상시키고(1.40% → 2.05%), 대기 안정성이 우수하여 초기 PCE 값을 유지할 수 있다. Overall, the present invention can provide three GOE-substituted fullerene mono-adducts that can be utilized in device manufacturing processes using environmentally friendly ethanol/water mixed solvents. have. That is, the optical and electrochemical properties of the fullerene derivatives of PCBO12, PCBO15 and PCBO27 having OEG side chains having different structures and lengths, and using them, can be used to prepare eco-PSCs using an ethanol/water mixed solvent under atmospheric conditions. . PCBO12-based eco-PSCs show the highest PCE of 1.40% compared to the three active layer mixtures. PCBO12-based eco-PSCs with high device performance are due to the high electrical mobility of PCBO12, a single adduct, enabling more densely packed PCBO domains by reduced steric hindrance by short, linear OEG side groups. do. PPDT2FBT-A:PCBO12 has minimal charge recombination and excellent charge transfer properties, and further, the higher the purity of the PCBO12 and PCBO15 films, the more efficient charge transport is possible. Accordingly, the present invention can provide aqueous-processable electroactive materials with high carrier mobility suitable for achieving high-efficiency eco-PSCs. Moreover, by adopting the normal type device structure for the first time in the organic solar cell based on the water/ethanol process, the device performance is dramatically improved (1.40% → 2.05%), and the air stability is excellent to maintain the initial PCE value. have.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described by a limited embodiment and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, even if the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form from the described method, or replaced or replaced by another component or equivalent Appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (20)
[화학식 1]
(여기서, 풀러렌(fullerene)은 C60 내지 C860 풀러렌 모이어티에서 선택되고,
Ar은 치환 또는 비치환된 페닐 및 티에닐에서 선택되고,
R1은 -C1-C20 알킬-이고,
R2 내지 R6은 각각, 수소, C1~C20 알킬기, -O-C1~C20 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택된다(단, R2 내지 R6은 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다.),
상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는, -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n 및 m은, 1 내지 20의 정수), 및 (R9 및 R10은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n은 0 내지 20의 정수이고, n' 및 m'은, 각각 1 내지 20의 정수에서 선택된다.)에서 선택된다.
A compound represented by Formula 1 below and having an oligoethylene glycol-based substituent.
[Formula 1]
(Where fullerene is selected from C60 to C860 fullerene moieties,
Ar is selected from substituted or unsubstituted phenyl and thienyl,
R 1 is -C 1 -C 20 alkyl-,
R 2 to R 6 are each hydrogen, a C 1 to C 20 alkyl group, -OC 1 ~ C 20 It is selected from alkyl groups and oligoethylene glycol-based substituents (however, at least one of R 2 to R 6 is an oligoethylene glycol-based substituent),
The oligoethylene glycol-based substituent, -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7 , -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or a C 1 ~C 10 alkyl group, n and m are integers from 1 to 20), And (R 9 and R 10 are each hydrogen or a C 1 to C 10 alkyl group, n is an integer from 0 to 20, and n'and m'are each selected from integers from 1 to 20.).
상기 R1은, -C1~C10 알킬- 이고,
상기 R2 내지 R6은, 각각 수소, C1~C10 알킬기, -O-C1~C10 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택되고(단, R2 내지 R6 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다),
상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는, -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은, 각각 수소 또는 C1~C5 알킬기이고, n 및 m은, 1 내지 10의 정수이다), 및 (R9 및 R10은 각각 수소 또는 C1~C5 알킬기이고, n은 0 내지 5의 정수이고, n' 및 m'은, 1 내지 10의 정수)에서 선택되는 것인,
화합물.
According to claim 1,
R 1 is -C 1 ~C 10 alkyl-,
R 2 to R 6 are each hydrogen, a C 1 ~C 10 alkyl group, -OC 1 ~C 10 alkyl group And an oligoethylene glycol-based substituent (where at least one of R 2 to R 6 is an oligoethylene glycol-based substituent),
The oligoethylene glycol-based substituent, -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7, -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or a C 1 to C 5 alkyl group, n and m are integers from 1 to 10), And (R 9 and R 10 are each hydrogen or a C 1 ~C 5 alkyl group, n is an integer from 0 to 5, n'and m'are selected from integers of 1 to 10,
compound.
상기 풀러렌 유도체는, 하기의 화학식 1-1로 표시되는 것인, 화합물.
[화학식 1-1]
(여기서, R3 내지 R5는 -(OCH2CH2)n-OR7, -O-(CH2)n-(OCH2CH2)m-OR8 (R7 및 R8은 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n 및 m은, 1 내지 10의 정수), 및 (R9 및 R10은, 각각 수소 또는 C1~C10 알킬기이고, n' 및 m'은, 1 내지 10의 정수)에서 선택된다.)
According to claim 1,
The fullerene derivative is a compound represented by the following Chemical Formula 1-1.
[Formula 1-1]
(Where R 3 to R 5 are -(OCH 2 CH 2 ) n -OR 7 , -O-(CH 2 ) n -(OCH 2 CH 2 ) m -OR 8 (R 7 and R 8 are each hydrogen or a C 1 ~C 10 alkyl group, n and m are integers from 1 to 10), And (R 9 and R 10 are each hydrogen or a C 1 to C 10 alkyl group, and n'and m'are selected from integers of 1 to 10.)
상기 풀러렌은, C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720 및 C860으로 이루어진 군에서 선택되는 것인,
화합물.
According to claim 1,
The fullerene is selected from the group consisting of C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720 and C860,
compound.
상기 화합물은, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함하는 용매에 가용성을 갖는 것인,
화합물.
According to claim 1,
The compound is soluble in a solvent containing water, alcohol, or both,
compound.
상기 화합물은, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함하는 용매에 대한 용해도는, 25 ℃에서 1 mg/ml 이상 인 것인,
화합물.
According to claim 1,
The compound, the solubility in water, alcohol or a solvent containing both, is at least 1 mg / ml at 25 ℃,
compound.
상기 알콜은, 탄소수 1 내지 4의 알코올인 것인,
화합물.
The method of claim 5,
The alcohol is an alcohol having 1 to 4 carbon atoms,
compound.
상기 용매는 알코올 및 물의 혼합물이고,
상기 혼합물 중 물의 부피비는 0 초과 내지 80 부피%인 것인,
화합물.
The method of claim 5,
The solvent is a mixture of alcohol and water,
The volume ratio of water in the mixture is greater than 0 to 80% by volume,
compound.
용매;
를 포함하는,
유기전자소자용 조성물.
At least one compound represented by Formula 1 of claim 1; And
menstruum;
Containing,
Composition for organic electronic devices.
상기 유기전자소자용 조성물은, 물, 알콜 또는 둘 다를 포함하는 용매를 포함하는 것인,
유기전자소자용 조성물.
The method of claim 9,
The composition for an organic electronic device includes a solvent containing water, alcohol, or both,
Composition for organic electronic devices.
상기 유기전자소자용 조성물은, 하기의 화학식 2 내지 화학식 4로 표시되는 화합물을 더 포함하는 것인, 유기전자소자용 조성물.
[화학식 2]
(여기서, n은 1 내지 1000의 정수이고, m은 1 내지 30의 정수이며, X는 S, Se 또는 O이며, R11 및 R12는 각각 수소, 할로겐 또는 C1~C10 알킬에서 선택된다.)
[화학식 3]
(여기서, R13 내지 R14은 각각, 수소, C1~C20 알킬기, -O-C1~C20 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택되고(단, R13 내지 R14 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다.), R은 수소, C1~C20 알킬기 및 할로겐에서 선택되고, n은 1 내지 1000의 정수이며, 상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는 청구항 제1항에서 정의된 바와 같다.)
[화학식 4]
(여기서, R13 내지 R14은 각각, 수소, C1~C20 알킬기, -O-C1~C20 알킬기 및 올리고에틸렌글리콜계 치환기에서 선택되고(단, R13 내지 R14 중 적어도 하나는 올리고에틸렌글리콜계 치환기이다.), n은 1 내지 1000의 정수이며, 상기 올리고에틸렌글리콜계 치환기는 청구항 제1항에서 정의된 바와 같다.)
The method of claim 9,
The composition for an organic electronic device, further comprising a compound represented by the following Formula 2 to Formula 4, the composition for an organic electronic device.
[Formula 2]
(Where n is an integer from 1 to 1000, m is an integer from 1 to 30, X is S, Se or O, and R 11 and R 12 are each selected from hydrogen, halogen or C 1 to C 10 alkyl .)
[Formula 3]
(Wherein R 13 to R 14 are each hydrogen, a C 1 to C 20 alkyl group, -OC 1 ~ C 20 alkyl group and an oligoethylene glycol-based substituent is selected (but at least one of R 13 to R 14 is an oligoethylene glycol-based substituent), R is hydrogen, C 1 ~ C 20 alkyl group and halogen Selected, n is an integer from 1 to 1000, and the oligoethylene glycol-based substituent is as defined in claim 1).
[Formula 4]
(Wherein R 13 to R 14 are each hydrogen, a C 1 to C 20 alkyl group, -OC 1 ~ C 20 Alkyl group and oligoethylene glycol-based substituent is selected from (but at least one of R 13 to R 14 is an oligoethylene glycol-based substituent.), n is an integer from 1 to 1000, the oligoethylene glycol System substituents are as defined in claim 1).
상기 화학식 2 내지 화학식 4으로 표시되는 화합물 대 제1항의 화합물의 혼합비는, 1: 0.001 내지 20의 질량비(w:w)인 것인,
유기전자소자용 조성물.
The method of claim 11,
The mixing ratio of the compound represented by Chemical Formulas 2 to 4 to the compound of claim 1 is 1: mass ratio (w:w) of 0.001 to 20,
Composition for organic electronic devices.
을 포함하는,
유기전자소자
An active layer comprising at least one of the compounds represented by Formula 1 of claim 1;
Containing,
Organic electronic device
상기 활성층은, 1 nm 이상의 두께를 갖는 것인,
유기전자소자.
The method of claim 13,
The active layer, having a thickness of 1 nm or more,
Organic electronic device.
상기 유기전자소자는, 유기태양전지, 유기전계효과 트랜지스터, 메모리 소자 또는 광센서인 것인,
유기전자소자.
The method of claim 13,
The organic electronic device is an organic solar cell, an organic field effect transistor, a memory device or an optical sensor,
Organic electronic device.
상기 유기태양전지는 역구조(inverted type) 형태의 유기태양전지 또는 정구조 (normal type) 형태의 전고분자 유기태양전지인 것인,
유기전자소자.
The method of claim 15,
The organic solar cell is an inverted type organic solar cell or a normal type organic polymer solar cell,
Organic electronic device.
상기 코팅 조성물을 기재 상에 코팅하는 단계;
를 포함하고,
상기 용매는 물, 알콜 또는 이 둘을 포함하는 것인,
유기전자소자의 제조방법.
Dissolving at least one compound represented by Formula 1 of claim 1 in a solvent to form a coating composition; And
Coating the coating composition on a substrate;
Including,
The solvent is to include water, alcohol or both,
Method of manufacturing an organic electronic device.
상기 코팅 조성물은, 상온 이상의 온도에서 상기 화합물을 용해시키는 것인,
유기전자소자의 제조방법.
The method of claim 17,
The coating composition is to dissolve the compound at a temperature above room temperature,
Method of manufacturing an organic electronic device.
상기 용매는 알코올 및 물의 혼합물이고,
상기 혼합물 중 물의 부피비는 0 초과 내지 80 부피%인 것인,
유기전자소자의 제조방법.
The method of claim 17,
The solvent is a mixture of alcohol and water,
The volume ratio of water in the mixture is greater than 0 to 80% by volume,
Method of manufacturing an organic electronic device.
상기 기재는 무기산화물 박막 또는 가교된 폴리-(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(cross-linked poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate); PEDOT:PSS) 박막인 것인,
유기전자소자의 제조방법.
The method of claim 17,
The substrate is an inorganic oxide thin film or cross-linked poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate):poly(styrenesulfonate); PEDOT:PSS ) Is a thin film,
Method of manufacturing an organic electronic device.
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KR20100062855A (en) * | 2008-12-01 | 2010-06-10 | 광주과학기술원 | Fullerene derivatives, organic photovoltaic cell including the derivatives, and organic tft including the derivatives |
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Title |
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Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 161, March 2017, Pages 102-148 * |
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