KR20220046976A - Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising thereof, and uses thereof - Google Patents

Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising thereof, and uses thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20220046976A
KR20220046976A KR1020200130349A KR20200130349A KR20220046976A KR 20220046976 A KR20220046976 A KR 20220046976A KR 1020200130349 A KR1020200130349 A KR 1020200130349A KR 20200130349 A KR20200130349 A KR 20200130349A KR 20220046976 A KR20220046976 A KR 20220046976A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer
solar cell
polymer solar
formula
active layer
Prior art date
Application number
KR1020200130349A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102457457B1 (en
Inventor
진성호
윤진환
박호열
Original Assignee
부산대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 부산대학교 산학협력단 filed Critical 부산대학교 산학협력단
Priority to KR1020200130349A priority Critical patent/KR102457457B1/en
Publication of KR20220046976A publication Critical patent/KR20220046976A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102457457B1 publication Critical patent/KR102457457B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G61/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/12Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/122Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides
    • C08G61/123Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides derived from five-membered heterocyclic compounds
    • C08G61/126Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides derived from five-membered heterocyclic compounds with a five-membered ring containing one sulfur atom in the ring
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L65/00Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • H01L51/0036
    • H01L51/42
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/10Definition of the polymer structure
    • C08G2261/14Side-groups
    • C08G2261/143Side-chains containing nitrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/10Definition of the polymer structure
    • C08G2261/14Side-groups
    • C08G2261/144Side-chains containing silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/30Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain
    • C08G2261/32Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain
    • C08G2261/322Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain non-condensed
    • C08G2261/3223Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain non-condensed containing one or more sulfur atoms as the only heteroatom, e.g. thiophene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/30Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain
    • C08G2261/32Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain
    • C08G2261/324Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain condensed
    • C08G2261/3243Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain condensed containing one or more sulfur atoms as the only heteroatom, e.g. benzothiophene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/90Applications
    • C08G2261/91Photovoltaic applications
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

The present invention relates to a conjugated polymer for an all-polymer solar cell, an active layer composition for an all-polymer solar cell including the same, and use thereof. Particularly, the present invention relates to a conjugated polymer for an all-polymer solar cell which can improve the performance, such as power conversion efficiency (PCE), crystallinity and electron mobility, by controlling the crystallinity and orientation of an active layer acceptor.

Description

전-고분자 태양전지용 공액 고분자, 이를 포함하는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 및 이의 용도 {Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising thereof, and uses thereof}Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising same, and use thereof

본 발명은 전-고분자 태양전지용 공액 고분자, 이를 포함하는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 및 이의 용도에 관한 것으로, 보다 구체적으로 활성층 억셉터의 결정도(crystallinity) 및 방향성(orientation)을 제어하여 전력 변환 효율(PCE), 결정도(crystallinity) 및 전자 이동도(electron mobility) 등의 성능을 개선할 수 있는 전-고분자 태양전지용 공액 고분자, 이를 포함하는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a conjugated polymer for an all-polymer solar cell, an active layer composition for an all-polymer solar cell comprising the same, and a use thereof, and more specifically, to control the crystallinity and orientation of the active layer acceptor to convert power It relates to a conjugated polymer for a pre-polymer solar cell capable of improving performance such as efficiency (PCE), crystallinity and electron mobility, an active layer composition for a pre-polymer solar cell comprising the same, and uses thereof .

최근, 고분자 도너 및 고분자 억셉터로 구성된 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)는 고성능 유연 디바이스의 에너지원에 대한 큰 진전과 잠재력을 보여주었다. 특히, 전-PSCs는 조정 가능한 에너지 레벨(tunable energy levels), 높은 광-흡수 능력, 기계적 유연성 및 열적 안정성과 같은 측면에 있어서 종래의 풀러렌-고분자 태양전지(fullerene-PSCs)에 비해 장점이 있다. 이러한 장점들에도 불구하고 전-PSC의 전력 변환 효율(power conversion efficiencies; PCEs)은 여전히 풀러렌-PSCs의 전력 변환 효율보다 낮았다. 긴 고분자 사슬들 사이의 강한 비혼화성(immiscibility), 풀러렌보다 고분자 억셉터의 낮은 전자 이동도 및 비효율적인 자유 전하 생성에 의해 야기된 활성층의 최적화되지 않은 블렌드 형상은 전-PSCs의 전체 성능의 실현을 방해하는 주요 확인된 요인이다. 엑시톤 해리(exiton dissociation) 효율 및 전하 수송은 고분자 도너 및 억셉터의 결정화도(crystallinity) 및 분자 방향성에 강하게 의존한다. 그러므로, 고분자의 결정성 어셈블리뿐만 아니라 블렌드 형상을 최적화하기 위한 접근법을 개발하는 것은 전-PSCs의 전기적 특성 및 PCEs를 개선하기 위한 긴급하고 중요한 요구 사항이다.Recently, all-polymer solar cells (all-PSCs) composed of polymer donors and polymer acceptors have shown great progress and potential as energy sources for high-performance flexible devices. In particular, pre-PSCs have advantages over conventional fullerene-PSCs in aspects such as tunable energy levels, high light-absorbing capacity, mechanical flexibility and thermal stability. Despite these advantages, the power conversion efficiencies (PCEs) of pre-PSCs were still lower than those of fullerene-PSCs. The strong immiscibility between long polymer chains, lower electron mobility of polymer acceptors than fullerenes, and the suboptimal blend shape of the active layer caused by inefficient free charge generation have prevented the realization of the overall performance of pre-PSCs. It is the main identified factor hindering. Exciton dissociation efficiency and charge transport strongly depend on the crystallinity and molecular orientation of polymer donors and acceptors. Therefore, developing approaches to optimize the blend shape as well as the crystalline assembly of polymers is an urgent and important requirement for improving the electrical properties of pre-PSCs and PCEs.

따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 활성층 억셉터의 결정도(crystallinity) 및 방향성(orientation)을 제어하여 전력 변환 효율(PCE), 결정도(crystallinity) 및 전자 이동도(electron mobility) 등의 성능을 개선할 수 있는 물질의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.Therefore, in order to supplement the above problems, the present inventors control the crystallinity and orientation of the active layer acceptor to control power conversion efficiency (PCE), crystallinity and electron mobility, etc. Recognizing that there is an urgent need to develop a material capable of improving the performance of the present invention, the present invention has been completed.

대한민국 공개특허공보 제10-2008-0094237호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2008-0094237 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0038043호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0038043

본 발명의 목적은 활성층 억셉터의 결정도(crystallinity) 및 방향성(orientation)을 제어하여 전력 변환 효율(PCE), 결정도(crystallinity) 및 전자 이동도(electron mobility) 등의 성능을 개선할 수 있는 전-고분자 태양전지용 공액 고분자를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to control the crystallinity and orientation of the active layer acceptor to improve performance such as power conversion efficiency (PCE), crystallinity and electron mobility. To provide a conjugated polymer for an all-polymer solar cell.

본 발명의 다른 목적은 활성층 억셉터의 결정도 및 방향성을 제어하여 전력 변환 효율, 결정도 및 전자 이동도 등의 성능을 개선할 수 있는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an active layer composition for an all-polymer solar cell capable of improving performance such as power conversion efficiency, crystallinity, and electron mobility by controlling the crystallinity and directionality of the active layer acceptor.

본 발명의 또 다른 목적은 활성층 억셉터의 결정도 및 방향성을 제어하여 전력 변환 효율, 결정도 및 전자 이동도 등의 성능을 개선할 수 있는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물을 포함하는 전-고분자 태양전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is an all-polymer solar cell comprising an active layer composition for an all-polymer solar cell capable of improving performance such as power conversion efficiency, crystallinity and electron mobility by controlling the crystallinity and directionality of the active layer acceptor to provide batteries.

발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.The technical problems to be achieved by the invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the description of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전-고분자 태양전지용 공액 고분자, 이를 포함하는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 및 이의 용도를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a conjugated polymer for a pre-polymer solar cell, an active layer composition for a pre-polymer solar cell comprising the same, and uses thereof.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail.

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)용 공액 고분자를 제공한다.The present invention provides a conjugated polymer for all-polymer solar cells (all-PSCs), characterized in that represented by the following [Formula 1].

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 R1은 페닐(phenyl), 톨릴(tolyl), 크실렌(xylene) 또는 나프틸(naphthyl)이고, Wherein R 1 is phenyl, tolyl, xylene or naphthyl,

상기 R2는 C, O, N 또는 S이며, Wherein R 2 is C, O, N or S,

상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬, -C1-10 알콕시 또는 -NH2이고, Wherein R 3 and R 4 are each independently hydrogen, halogen, -C 1-20 straight or branched chain alkyl, -C 1-10 alkoxy or -NH 2

상기 R5는 -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬 또는 -C1-10 알콕시이며, wherein R 5 is -C 1-20 straight or branched chain alkyl or -C 1-10 alkoxy;

상기 X는 F, Cl, Br 또는 I이고, wherein X is F, Cl, Br or I;

상기 n은 1 내지 1,000이다.and n is 1 to 1,000.

또한, 본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자를 포함하는 고분자 도너(polymer donor); 하기 [화학식 2]로 표시되는 고분자 억셉터(polymer acceptor); 및 1-페닐나프탈렌(1-phenylnaphthalene) 첨가제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)용 활성층 조성물을 제공한다.In addition, the present invention is a polymer donor (polymer donor) comprising a conjugated polymer represented by the following [Formula 1]; A polymer acceptor represented by the following [Formula 2]; and 1-phenylnaphthalene (1-phenylnaphthalene) additive.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 R1은 페닐(phenyl), 톨릴(tolyl), 크실렌(xylene) 또는 나프틸(naphthyl)이고, Wherein R 1 is phenyl, tolyl, xylene or naphthyl,

상기 R2는 C, O, N 또는 S이며, Wherein R 2 is C, O, N or S,

상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬, -C1-10 알콕시 또는 -NH2이고, Wherein R 3 and R 4 are each independently hydrogen, halogen, -C 1-20 straight or branched chain alkyl, -C 1-10 alkoxy or -NH 2

상기 R5는 -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬 또는 -C1-10 알콕시이며, wherein R 5 is -C 1-20 straight or branched chain alkyl or -C 1-10 alkoxy;

상기 X는 F, Cl, Br 또는 I이고, wherein X is F, Cl, Br or I;

상기 n은 1 내지 1,000이다.and n is 1 to 1,000.

본 발명에 있어서, 상기 고분자 도너 : 고분자 억셉터의 비율은 1 : 0.3 내지 1.2 (wt:wt)의 비율로 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the ratio of the polymer donor: the polymer acceptor is 1: 0.3 to 1.2 (wt: wt) is characterized in that it contains.

본 발명에 있어서, 상기 1-페닐나프탈렌 첨가제는 상기 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 총 부피% 대비 0.2 내지 0.6 부피%의 비율로 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the 1-phenylnaphthalene additive is characterized in that it is included in a ratio of 0.2 to 0.6% by volume based on the total volume% of the active layer composition for the pre-polymer solar cell.

또한, 본 발명은 상기 활성층 조성물을 채용한 광활성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)를 제공한다.In addition, the present invention provides all-polymer solar cells (all-PSCs) comprising a photoactive layer employing the active layer composition.

본 발명에 있어서, 상기 광활성층은 150 내지 250 nm의 두께인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the photoactive layer is characterized in that the thickness of 150 to 250 nm.

본 발명에 있어서, 상기 광활성층은 톨루엔(toluene)으로 표면 개질되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the photoactive layer is characterized in that the surface is modified with toluene (toluene).

상기 전-고분자 태양전지용 공액 고분자, 이를 포함하는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 및 이의 용도에서 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.All matters mentioned in the conjugated polymer for a pre-polymer solar cell, an active layer composition for a pre-polymer solar cell including the same, and uses thereof apply equally unless contradictory.

본 발명의 전-고분자 태양전지용 공액 고분자, 이를 포함하는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 및 이의 용도는 활성층 억셉터의 결정도(crystallinity) 및 방향성(orientation)을 제어하여 전력 변환 효율(PCE), 결정도(crystallinity) 및 전자 이동도(electron mobility) 등의 성능을 개선할 수 있다.The conjugated polymer for a pre-polymer solar cell of the present invention, an active layer composition for a pre-polymer solar cell comprising the same, and a use thereof are the power conversion efficiency (PCE), crystallization by controlling the crystallinity and orientation of the active layer acceptor Performance such as crystallinity and electron mobility may be improved.

또한, 본 발명의 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물을 포함하는 전-고분자 태양전지는 최적의 광활성층 두께, 표면 개질 용매, 열 어닐링 시간 등을 통해 충전율(Fill Factor, FF), 단락 전류(short-circuit current, JSC), 개방전압(open-circuit voltage, VOC) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE) 등을 향상시킬 수 있다.In addition, the pre-polymer solar cell including the active layer composition for the pre-polymer solar cell of the present invention can be obtained through the optimal photoactive layer thickness, surface modification solvent, thermal annealing time, etc. circuit current, J SC ), open-circuit voltage, V OC , and power conversion efficiency (PCE) may be improved.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 (a) [화학식 4], (b) [화학식 3] 및 (c) [화학식 1]로 표시되는 화합물의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지의 단면을 전계방사 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)을 측정한 단면 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자의 (a) 열 중량 분석(Thermal Gravimetric Analysis, TGA) 및 (b) 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자의 순환 전압 전류법(Cyclic voltammetry)을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자(green line), [화학식 2]로 표시되는 고분자 어셉터(red line) 및 실시예 2에서 제조된 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물(blue line)의 용액 상태에서의 UV-vis 흡수 스펙트럼(UV-visible absorption spectra)이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자의 밀도범함수(Density functional theory, DFT)를 계산한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지(blue line), 비교 전-고분자 태양전지 1(green line) 및 비교 전-고분자 태양전지 2(black line)의 전기적 특성을 확인한 J-V 곡선(J-V curve)이다.
도 8은 (a) 본 발명에 따른 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지, (b) 비교 전-고분자 태양전지 3 및 (c) 비교 전-고분자 태양전지 4의 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 측정한 이미지이다.
도 9는 (a) 톨루엔으로 표면 개질한 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지, (b) 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-MeTHF) 및 (c) 사이클로펜틸 메틸 에테르(Cyclopentyl methyl ether, CPME)로 표면 개질하여 형성된 비교 전-고분자 태양전지 3 및 4에 대해 공간 전하 제한 전류(space-charge-limited current, SCLC) 방법을 통해 확인한 전하 캐리어 이동도 그래프이다.
도 10은 120 ℃에서 10분 동안 열 어닐링을 수행한 전-고분자 태양전지(실시예 3), 20분 동안 열 어닐링을 수행한 비교 전-고분자 태양전지 5 및 30분 동안 열 어닐링을 수행한 비교 전-고분자 태양전지 6의 광활성층에 대한 (a) 접지 입사 X-선 회절(Grazing incidence X-ray diffraction, GIXD) 패턴 및 (b) 이를 통해 추출된 1D 프로파일 그래프이다.
1 is a 1 H NMR spectrum of the compound represented by (a) [Formula 4], (b) [Formula 3] and (c) [Formula 1] prepared in Example 1 according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional image of a cross-section of the all-polymer solar cell prepared in Example 3 according to the present invention measured with a Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM).
3 is (a) Thermal Gravimetric Analysis (TGA) and (b) Differential Scanning Calorimetry (DSC) of the conjugated polymer represented by [Formula 1] prepared in Example 1 according to the present invention; It is a graph.
Figure 4 is a graph of measuring the cyclic voltammetry (Cyclic voltammetry) of the conjugated polymer represented by [Formula 1] prepared in Example 1 according to the present invention.
5 is a conjugated polymer (green line) represented by [Formula 1] prepared in Example 1 according to the present invention, a polymer acceptor (red line) represented by [Formula 2] and the pre-prepared in Example 2 - UV-visible absorption spectra in a solution state of the active layer composition for a polymer solar cell (blue line).
6 is a diagram illustrating the calculation of density functional theory (DFT) of the conjugated polymer represented by [Formula 1] prepared in Example 1 according to the present invention.
7 shows the electrical characteristics of the pre-polymer solar cell (blue line), the comparative pre-polymer solar cell 1 (green line), and the comparative pre-polymer solar cell 2 (black line) prepared in Example 3 according to the present invention; This is the confirmed JV curve.
8 is an atomic force microscope of (a) the pre-polymer solar cell prepared in Example 3 according to the present invention, (b) comparative pre-polymer solar cell 3 and (c) comparative pre-polymer solar cell 4; It is an image measured by Microscope, AFM).
9 shows (a) the all-polymer solar cell prepared in Example 3 surface-modified with toluene, (b) 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF) and (c) cyclopentyl methyl ether; , CPME) is a graph of charge carrier mobility confirmed through the space-charge-limited current (SCLC) method for comparative pre-polymer solar cells 3 and 4 formed by surface modification.
10 is a pre-polymer solar cell (Example 3) in which thermal annealing was performed at 120° C. for 10 minutes, a comparative pre-polymer solar cell 5 in which thermal annealing was performed for 20 minutes, and a comparison in which thermal annealing was performed for 30 minutes; (a) Ground incidence X-ray diffraction (GIXD) patterns for the photoactive layer of the all-polymer solar cell 6 and (b) 1D profile graphs extracted through them.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in this specification have been selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than the name of a simple term.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.Numerical ranges are inclusive of the values defined in that range. Every maximum numerical limitation given throughout this specification includes all lower numerical limitations as if the lower numerical limitation were expressly written. Every minimum numerical limitation given throughout this specification includes all higher numerical limitations as if the higher numerical limitation were expressly written. Any numerical limitation given throughout this specification shall include all numerical ranges within the broader numerical range, as if the narrower numerical limitation were expressly written.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail, but it is obvious that the present invention is not limited by the following examples.

전-고분자 태양전지용 공액 고분자Conjugated polymer for all-polymer solar cells

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)용 공액 고분자를 제공한다.The present invention provides a conjugated polymer for all-polymer solar cells (all-PSCs) represented by the following [Formula 1].

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 R1은 페닐(phenyl), 톨릴(tolyl), 크실렌(xylene) 또는 나프틸(naphthyl)이고, Wherein R 1 is phenyl, tolyl, xylene or naphthyl,

상기 R2는 C, O, N 또는 S이며, Wherein R 2 is C, O, N or S,

상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬, -C1-10 알콕시 또는 -NH2이고, Wherein R 3 and R 4 are each independently hydrogen, halogen, -C 1-20 straight or branched chain alkyl, -C 1-10 alkoxy or -NH 2

상기 R5는 -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬 또는 -C1-10 알콕시이며, wherein R 5 is -C 1-20 straight or branched chain alkyl or -C 1-10 alkoxy;

상기 X는 F, Cl, Br 또는 I이고, wherein X is F, Cl, Br or I;

상기 n은 1 내지 1,000이다.and n is 1 to 1,000.

상기 공액 고분자는 p-타입의 π-공액 도너 고분자(π-conjugated donor polymer)로서, 톨루엔(toluene), 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-Methyltetrahydrofuran, 2-MeTHF), 사이클로펜틸 메틸 에테르(Cyclopentyl methyl ether, CPME)과 같은 비할로겐화 용매(nonhalogenated solvent)에 우수한 용해도를 갖는다.The conjugated polymer is a p-type π-conjugated donor polymer (π-conjugated donor polymer), toluene, 2-methyltetrahydrofuran (2-Methyltetrahydrofuran, 2-MeTHF), cyclopentyl methyl ether (Cyclopentyl methyl) It has excellent solubility in nonhalogenated solvents such as ether, CPME).

전-고분자 태양전지용 활성층 조성물Active layer composition for all-polymer solar cells

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자를 포함하는 고분자 도너(polymer donor); 하기 [화학식 2]로 표시되는 고분자 억셉터(polymer acceptor); 및 1-페닐나프탈렌(1-phenylnaphthalene) 첨가제;를 포함하는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)용 활성층 조성물을 제공한다.The present invention is a polymer donor (polymer donor) comprising a conjugated polymer represented by the following [Formula 1]; A polymer acceptor represented by the following [Formula 2]; And 1-phenylnaphthalene (1-phenylnaphthalene) additive; provides an active layer composition for all-polymer solar cells (all-PSCs) comprising a.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 R1은 페닐(phenyl), 톨릴(tolyl), 크실렌(xylene) 또는 나프틸(naphthyl)이고, Wherein R 1 is phenyl, tolyl, xylene or naphthyl,

상기 R2는 C, O, N 또는 S이며, Wherein R 2 is C, O, N or S,

상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬, -C1-10 알콕시 또는 -NH2이고, Wherein R 3 and R 4 are each independently hydrogen, halogen, -C 1-20 straight or branched chain alkyl, -C 1-10 alkoxy or -NH 2

상기 R5는 -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬 또는 -C1-10 알콕시이며, wherein R 5 is -C 1-20 straight or branched chain alkyl or -C 1-10 alkoxy;

상기 X는 F, Cl, Br 또는 I이고, wherein X is F, Cl, Br or I;

상기 n은 1 내지 1,000이다.and n is 1 to 1,000.

상기 고분자 도너 : 고분자 억셉터의 비율은 1 : 0.3 내지 1.2 (wt:wt)의 비율로 포함할 수 있다.The ratio of the polymer donor to the polymer acceptor may be 1:0.3 to 1.2 (wt:wt).

상기 1-페닐나프탈렌 첨가제는 상기 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 총 부피% 대비 0.2 내지 0.6 부피%의 비율로 포함할 수 있다.The 1-phenylnaphthalene additive may be included in a ratio of 0.2 to 0.6% by volume based on the total volume% of the active layer composition for the pre-polymer solar cell.

전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)all-polymer solar cells (all-PSCs)

본 발명은 우수한 광전변환효율 및 수명 안정성 등의 효과를 갖는 상기 활성층 조성물을 채용한 광활성층을 포함하는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)를 제공한다.The present invention provides all-polymer solar cells (all-PSCs) including a photoactive layer employing the active layer composition having effects such as excellent photoelectric conversion efficiency and lifetime stability.

상기 활성층 조성물은 앞서 언급한 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물과 같다.The active layer composition is the same as the above-mentioned active layer composition for an all-polymer solar cell.

보다 구체적으로, 상기 전-고분자 태양전지는 기판, 제1 전극, 제1 버퍼층, 광활성층, 제2 버퍼층 및 제2 전극을 포함할 수 있다. More specifically, the pre-polymer solar cell may include a substrate, a first electrode, a first buffer layer, a photoactive layer, a second buffer layer, and a second electrode.

본 발명의 상기 전-고분자 태양전지는 전자(electron)가 제1 전극으로 전공(hole)이 제2 전극으로 빠져 나가는 정방향 태양전지 또는 정공(hole)이 제1 전극으로 전자(electron)가 제 2전극으로 빠져나가는 역방향 태양전지일 수 있다.In the all-polymer solar cell of the present invention, an electron is a first electrode and a hole exits a second electrode, or a hole is a first electrode and an electron is a second electrode. It may be a reverse solar cell exiting the electrode.

상기 제1 전극은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 투명전극물질을 상기 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.The first electrode is sputtering, E-beam, thermal evaporation, spin coating, screen printing, inkjet printing, using a method selected from the group consisting of doctor blade or gravure printing method is applied to the transparent electrode material on one surface of the substrate or a film It can be formed by coating in the form.

상기 제1 전극은 ITO(indium tin oxide), 불소가 도핑된 틴 옥사이드(fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(aluminium doped zink oxide, AZO), IZO(indium zink oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 또는 ATO(antimony tin oxide)일 수 있고, 바람직하게는 ITO 또는 FTO일 수 있다.The first electrode includes indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zink oxide (AZO), indium zink oxide (IZO), ZnO -Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 or antimony tin oxide (ATO), preferably ITO or FTO.

상기 제1 전극의 상부로 형성되는 제1 버퍼층은 정방향 또는 역방향 구조에 따라 정공수송층 또는 전자수송층으로 형성될 수 있다. 상기 제1 버퍼층이 정공수송층일 경우, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)[PEDOT:PSS]일 수 있으며, 이는 전자가 제1 전극으로 이동하는 것을 막아주면서 정공의 수송을 원활하게 도와줄 수 있다. 또한, 상기 제1 버퍼층이 전자수송층일 경우 폴리에틸렌이민 에톡시레이티드(Polyethylenimine ethoxylated,PEIE) 또는 ZnO일 수 있으며, 이는 정공이 제1 전극으로 이동하는 것을 막아주면서 전자전이 및 수송을 원활하게 도와 줄 수 있다.The first buffer layer formed over the first electrode may be formed as a hole transport layer or an electron transport layer according to a forward or reverse structure. When the first buffer layer is a hole transport layer, it may be poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)[PEDOT:PSS], which prevents electrons from moving to the first electrode It can help the transport of holes smoothly. In addition, when the first buffer layer is an electron transport layer, it may be polyethylenimine ethoxylated (PEIE) or ZnO, which prevents holes from moving to the first electrode while helping to facilitate electron transition and transport. can

상기 제1 버퍼층의 상부에는 광활성층이 적층될 수 있다. 상기 광활성층은 본 발명에 따른 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물로서, 전자공여체와 전자수용체 사이의 매우 빠른 전하 전달 및 분리 현상으로 광기전력 효과를 제공할 수 있다.A photoactive layer may be stacked on the first buffer layer. The photoactive layer is an active layer composition for an all-polymer solar cell according to the present invention, and can provide a photovoltaic effect through very fast charge transfer and separation between an electron donor and an electron acceptor.

상기 광활성층은 150 내지 250 nm의 두께일 수 있으며, 바람직하게는 160 내지 230 nm의 두께일 수 있다.The photoactive layer may have a thickness of 150 to 250 nm, preferably 160 to 230 nm.

상기 광활성층은 비할로겐화 용매로서 톨루엔(toluene)을 이용하여 광활성층을 형성하였으며, 비할로겐화 용매를 사용함에도 불구하고 낮은 표면 거칠기를 가지는 광할성층 형성이 가능함에 따라 현저히 향상된 충전율(Fill Factor, FF), 단락 전류(short-circuit current, JSC), 개방전압(open-circuit voltage, VOC) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)를 가질 수 있다.The photoactive layer was formed using toluene as a non-halogenated solvent, and the photoactive layer having a low surface roughness can be formed despite the use of a non-halogenated solvent. , short-circuit current (J SC ), open-circuit voltage (V OC ) and power conversion efficiency (PCE).

상기 광활성층은 상기 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물이 용해된 용액을 프린팅법, 스핀코팅법, 스크린 인쇄법 및 닥터 블레이드법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 도포 또는 코팅되어 형성될 수 있다.The photoactive layer may be formed by applying or coating a solution in which the active layer composition for a pre-polymer solar cell is dissolved by at least one method selected from the group consisting of a printing method, a spin coating method, a screen printing method, and a doctor blade method. .

상기 광활성층 상부로 형성되는 제2 버퍼층은 태양전지의 정방향 또는 역방향 구조에 따라 정공수송층 또는 전자수송층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 버퍼층이 정공수송층일 경우 MoO3일 수 있고, 상기 제2 버퍼층이 전자수송층일 경우 금속산화물을 포함하는 금속산화물층일 수 있다. 상기 금속산화물은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 등의 나노입자 산화물로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The second buffer layer formed on the photoactive layer may be formed as a hole transport layer or an electron transport layer depending on the forward or reverse structure of the solar cell. When the second buffer layer is a hole transport layer, it may be MoO 3 , and when the second buffer layer is an electron transport layer, it may be a metal oxide layer including a metal oxide. The metal oxide may be formed of a nanoparticle oxide such as titanium dioxide (TiO2), tin dioxide (SnO2), or zinc oxide (ZnO), but is not limited thereto.

상기 제2 버퍼층 상에 제2 전극이 열 증착기를 이용하여 증착될 수 있다. 상기 제2 전극은 불화리튬/알루미늄, 불화리튬/칼슘/알루미늄, 칼슘/알루미늄, 불화바륨/알루미늄, 불화바륨/바륨/알루미늄, 바륨/알루미늄, 알루미늄, 금, 은, 마스네슘:은 또는 리튬:알루미늄일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄, 은 또는 불화리튬/알루미늄일 수 있다.A second electrode may be deposited on the second buffer layer using a thermal evaporator. The second electrode may include lithium fluoride/aluminum, lithium fluoride/calcium/aluminum, calcium/aluminum, barium/aluminum fluoride, barium fluoride/barium/aluminum, barium/aluminum, aluminum, gold, silver, magnesium: silver or lithium: It may be aluminum, preferably aluminum, silver or lithium fluoride/aluminum.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하세 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

실시예 1. 전-고분자 태양전지용 공액 고분자 제조Example 1. Preparation of conjugated polymer for pre-polymer solar cell

Figure pat00007
Figure pat00007

1.1. [화학식 4]로 표시되는 화합물 제조1.1. Preparation of a compound represented by [Formula 4]

Figure pat00008
Figure pat00008

[5,6-디플루오로-1H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (2번 화합물) 제조][Preparation of 5,6-difluoro-1H-benzo [d] [1,2,3] triazole (compound No. 2)]

4,5-디플로로벤젠-1,2-디아민(1번 화합물)(10 g, 70.0 mmol)을 아세트산(9 mL, 140 mmol)에 용해시키고, 물(360 mL)을 첨가하여 가열하였다. 그리고, 상기 혼합물을 냉각시키고, 상기 혼합물에 NaNO2(5g, 77mmol) 및 물(150 mL)을 첨가하였다. 그리고, 상기 혼합물을 실온에서 1시간 동안 교반하여 짙은 녹색이 되었을 때, 냉각하여 침전물을 여과하였으며, 이를 건조한 후, 물로 재결정하여 5,6-디플로로-1H-벤조[d][1,2,3]트리아졸(2번 화합물)을 백색 고체로 수득하였다(8.0 g, 수율 80%).4,5-difluorobenzene-1,2-diamine (compound #1) (10 g, 70.0 mmol) was dissolved in acetic acid (9 mL, 140 mmol), and water (360 mL) was added and heated. Then, the mixture was cooled, and NaNO 2 (5 g, 77 mmol) and water (150 mL) were added to the mixture. Then, the mixture was stirred at room temperature for 1 hour to turn dark green, cooled to filter the precipitate, dried and recrystallized with water to 5,6-difluoro-1H-benzo[d][1,2 ,3]triazole (compound No. 2) was obtained as a white solid (8.0 g, yield 80%).

1H NMR (300 MHz, CDCl3) : δ(ppm) 15.81(s, 1H), 7.89(t, 2H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 15.81 (s, 1H), 7.89 (t, 2H).

[5,6-디플루오로-2-(헥스-5-엔-1-일)-2H- 벤조[d][1,2,3]트리아졸 (3번 화합물) 제조][Preparation of 5,6-difluoro-2-(hex-5-en-1-yl)-2H-benzo[d][1,2,3]triazole (Compound No. 3)]

상기 2번 화합물(8.0g, 51.2mmol)을 100 mL의 메탄올에 용해시키고, 상기 용해물에 포타슘 터트-부톡사이드(potassium tert-butoxide)(14.4g, 128.8mmol) 및 6-브로모-1-헥산(6-bromo-1-hexane)(16.59g, 103.2mmol)을 첨가하고 65 ℃에서 24시간 동안 교반하였다. 그리고, 상기 혼합물을 상온에서 냉각하고, 물을 첨가하고 에틸 아세테이트로 유기층을 추출하였다. 상기 유기층을 MgSO4로 건조시키고 감압 하에 농축시켰다. 생성된 생성물을 용리액으로 헥산:에틸 아세테이트(50:1 v/v)를 사용하여 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 5,6-디플로로-2-(헥스-5-엔-1-일)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸(3번 화합물)을 담황색 오일로 수득하였다(5.3 g, 수율 70%). The compound No. 2 (8.0 g, 51.2 mmol) was dissolved in 100 mL of methanol, and potassium tert-butoxide (14.4 g, 128.8 mmol) and 6-bromo-1- in the lysate. Hexane (6-bromo-1-hexane) (16.59 g, 103.2 mmol) was added and stirred at 65 °C for 24 hours. Then, the mixture was cooled to room temperature, water was added, and the organic layer was extracted with ethyl acetate. The organic layer was dried over MgSO 4 and concentrated under reduced pressure. The resulting product was purified by silica gel column chromatography using hexane:ethyl acetate (50:1 v/v) as an eluent to 5,6-difluoro-2-(hex-5-en-1-yl)- 2H-benzo[d][1,2,3]triazole (compound 3) was obtained as a pale yellow oil (5.3 g, yield 70%).

1H NMR(300 MHz, CDCl3) : δ(ppm) 7.59-7.53(t, 2H), 5.79-5.70(m, 1H), 5.02-4.93(m, 2H), 4.70-4.65(t, 2H), 2.10-2.06(m, 2H), 1.47-1.37(m,4H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 7.59-7.53 (t, 2H), 5.79-5.70 (m, 1H), 5.02-4.93 (m, 2H), 4.70-4.65 (t, 2H) , 2.10-2.06 (m, 2H), 1.47-1.37 (m, 4H).

[5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (4번 화합물) 제조][5,6-difluoro-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-2H-benzo[d][1, 2,3] Triazole (Compound No. 4) Preparation]

상기 3번 화합물(6.6 g, 27.80 mmol)을 80 mL의 톨루엔에 용해시키고, 상기 용해물에 소량의 Karstedt 촉매(2.42 mL, 0.005 eq.) 및 1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산(7.11 g, 31.98mmol)을 첨가하였다. 상기 혼합물을 50 ℃에서 24시간 동안 교반하고, 농축하여 톨루엔을 진공에서 제거하여 오일 혼합물을 제조하였다. 상기 오일 혼합물을 용리액으로 핵산:에틸 아세테이트(50:1 v/v)를 사용하여 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 5,6-디플로로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (4번 화합물)을 담황색 오일로 수득하였다(3.2 g, 수율 64%). The compound 3 (6.6 g, 27.80 mmol) was dissolved in 80 mL of toluene, and a small amount of Karstedt's catalyst (2.42 mL, 0.005 eq.) and 1,1,1,3,5,5,5 in the lysate. -Heptamethyltrisiloxane (7.11 g, 31.98 mmol) was added. The mixture was stirred at 50° C. for 24 hours, and concentrated to remove toluene in vacuo to prepare an oil mixture. The oil mixture was purified by silica gel column chromatography using nucleic acid:ethyl acetate (50:1 v/v) as eluent to 5,6-difluoro-2-(6-(1,1,1,3, 5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-2H-benzo[d][1,2,3]triazole (compound 4) was obtained as a pale yellow oil (3.2 g, yield 64) %).

1H NMR (300 MHz, CDCl3) : δ(ppm) 7.59-7.54(t, 2H), 4.69-4.64(t, 2H), 2.09-2.05(m, 2H), 1.33-1.24(m, 8H), 0.43-0.41(m, 3H), 0.059-0.033(t, 18H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 7.59-7.54 (t, 2H), 4.69-4.64 (t, 2H), 2.09-2.05 (m, 2H), 1.33-1.24 (m, 8H) , 0.43-0.41 (m, 3H), 0.059-0.033 (t, 18H).

[5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-4,7-비스(트리메틸실릴)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (5번 화합물) 제조][5,6-difluoro-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-4,7-bis(trimethylsilyl) -2H-benzo[d][1,2,3]triazole (compound 5) preparation]

상기 4번 화합물(4.5 g, 9.68 mmol)에 리튬 디이소프로필아미드(Lithium diisopropylamide)(2.0M, 14.50 mL, 29.04 mmol)을 적가하고, -78 ℃에서 N2 환경 하에서 THF(50 mL)를 건조하였다. 그리고, 트리메틸실릴 클로라이드(trimethylsilyl chloride)(3.15 g, 29.03 mmol)를 -78 ℃에서 적가하고, 상기 온도에서 5시간 동안 교반하고, 포화 NH4Cl 용액 10 mL로 ??칭(quenched)하였다. 상기 반응은 실온으로 가온하고, 포화 NH4Cl 용액을 추가적으로 첨가하고, 상기 혼합물을 CHCl3을 첨가하여 유기층을 추출하고 물로 2회 세척하였다. 상기 유기층을 MgSO4로 건조시키고 감압 하에 농축시켰다. 생성된 생성물을 용리액으로 헥산:에틸 아세테이트(60:1 v/v)를 사용하여 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-4,7-비스(트리메틸실릴)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (5번 화합물)을 황색 오일로 수득하였다(2.3 g, 수율 68%). Lithium diisopropylamide (2.0M, 14.50 mL, 29.04 mmol) was added dropwise to compound 4 (4.5 g, 9.68 mmol), and THF (50 mL) was dried at -78 ° C. under N 2 environment. did Then, trimethylsilyl chloride (3.15 g, 29.03 mmol) was added dropwise at -78 °C, stirred at the temperature for 5 hours, and quenched with 10 mL of saturated NH 4 Cl solution. The reaction was warmed to room temperature, saturated NH 4 Cl solution was additionally added, and CHCl 3 was added to the mixture to extract the organic layer and washed twice with water. The organic layer was dried over MgSO 4 and concentrated under reduced pressure. The resulting product was purified by silica gel column chromatography using hexane:ethyl acetate (60:1 v/v) as an eluent, and 5,6-difluoro-2-(6-(1,1,1,3, 5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-4,7-bis(trimethylsilyl)-2H-benzo[d][1,2,3]triazole (compound 5) to yellow It was obtained as an oil (2.3 g, 68% yield).

1H NMR (300 MHz, CDCl3) : δ(ppm) 4.64-4.59(d, 2H), 2.05-2.03(m, 2H), 1.35-1.25(m, 8H), 0.67-0.41(t, 18H), 0.073-0.017(t, 21H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 4.64-4.59 (d, 2H), 2.05-2.03 (m, 2H), 1.35-1.25 (m, 8H), 0.67-0.41 (t, 18H) , 0.073-0.017 (t, 21H).

[4,7-디브로모-5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (6번 화합물) 제조][4,7-dibromo-5,6-difluoro-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-2H -benzo[d][1,2,3]triazole (compound 6) preparation]

상기 5번 화합물(3.6 g, 5.96 mmol)을 CHCl3(10 mL)에 용해시키고, 브롬(bromine, 2.86 g, 17.88 mmol)을 첨가한 후, 상기 반응물에 빛을 차단하고 60 ℃에서 24시간 동안 교반하였다. 상기 혼합물을 실온으로 냉각시킨 후, NaOH 수용액을 첨가하고 CHCl3로 유기층을 추출하였으며, 상기 유기층을 MgSO4로 건조시키고 감압 하에 농축시켰다. 생성된 생성물을 용리액으로 헥산:메틸렌 클로라이드(50:1 v/v)를 사용하여 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 4,7-디브로모-5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (6번 화합물)을 담황색 오일로 수득하였다(1.9 g, 수율 70%).The compound No. 5 (3.6 g, 5.96 mmol) was dissolved in CHCl 3 (10 mL), bromine (2.86 g, 17.88 mmol) was added, and the light was blocked from the reaction product at 60° C. for 24 hours. stirred. After the mixture was cooled to room temperature, an aqueous NaOH solution was added, and the organic layer was extracted with CHCl 3 , the organic layer was dried over MgSO 4 and concentrated under reduced pressure. The resulting product was purified by silica gel column chromatography using hexane:methylene chloride (50:1 v/v) as an eluent, and 4,7-dibromo-5,6-difluoro-2-(6-( 1,1,1,3,5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-2H-benzo[d][1,2,3]triazole (compound 6) as pale yellow oil It was obtained (1.9 g, yield 70%).

1H NMR (300 MHz, CDCl3) : δ(ppm) 4.74-4.71(d, 2H), 2.11(m, 2H), 1.35(m, 8H), 0.45-0.41(m, 3H), 0.06-0.04(t, 18H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 4.74-4.71 (d, 2H), 2.11 (m, 2H), 1.35 (m, 8H), 0.45-0.41 (m, 3H), 0.06-0.04 (t, 18H).

[5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-4,7-디(티오펜-2-일)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (7번 화합물) 제조][5,6-difluoro-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-4,7-di(thiophene- 2-yl) -2H-benzo [d] [1,2,3] triazole (compound 7) preparation]

상기 6번 화합물(0.5g, 0.81mmol), 트리부틸(티오펜-2-일)스탄난(tributyl(thiophen-2-yl)stannane)(1.06g, 2.85mmol), DMF(20 mL) 및 PdCl2(PPh3)2(28 mg, 0.040 mmol)를 N2 환경 하에 100 mL의 2구 플라스크에 첨가하고, 상기 혼합물을 24시간 동안 80 ℃에서 교반하였다. 상기 혼합물에 물을 첨가하고, 에틸 아세테이트를 이용하여 유기층을 추축하였다. 상기 유기층을 MgSO4로 건조시키고 감압 하에 농축시켰다. 생성된 생성물을 용리액으로 헥산:메틸렌 클로라이드(7:3 v/v)를 사용하여 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-4,7-디(티오펜-2-일)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 (7번 화합물)을 황색 오일로 수득하였다(0.27 g, 수율 62%).Compound 6 (0.5 g, 0.81 mmol), tributyl (thiophen-2-yl) stannane (1.06 g, 2.85 mmol), DMF (20 mL) and PdCl 2 (PPh 3 ) 2 (28 mg, 0.040 mmol) was added to a 100 mL two-necked flask under N 2 environment, and the mixture was stirred at 80° C. for 24 hours. Water was added to the mixture, and the organic layer was extracted using ethyl acetate. The organic layer was dried over MgSO 4 and concentrated under reduced pressure. The resulting product was purified by silica gel column chromatography using hexane:methylene chloride (7:3 v/v) as an eluent to 5,6-difluoro-2-(6-(1,1,1,3, 5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-4,7-di(thiophen-2-yl)-2H-benzo[d][1,2,3]triazole (No. 7 compound) was obtained as a yellow oil (0.27 g, yield 62%).

1H NMR (300 MHz, CDCl3) : δ(ppm) 8.31(m, 2H), 7.54-7.53(m, 2H), 7.25(m, 2H), 4.81-4.76(t, 2H), 2.17(m, 2H), 1.40-1.31(m, 8H), 0.47-0.44(m, 3H), 0.06-0.02(t, 18H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 8.31 (m, 2H), 7.54-7.53 (m, 2H), 7.25 (m, 2H), 4.81-4.76 (t, 2H), 2.17 (m) , 2H), 1.40-1.31 (m, 8H), 0.47-0.44 (m, 3H), 0.06-0.02 (t, 18H).

[4,7-비스(5-브로모티오펜-2-일)-5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 [화학식 4] 제조][4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5,6-difluoro-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-heptamethyltrisiloxane) -3-yl) hexyl) -2H-benzo [d] [1,2,3] triazole [Formula 4] preparation]

CHCl3(15 mL) 상에 존재하는 상기 7번 화합물(0.4 g, 0.415 mmol)에 N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide)(0.15g, 0.87mmol)를 첨가하고, 빛을 차단하고 24시간 동안 실온에서 교반하였다. 그리고, 상기 혼합물에 NaHCO3 수용액을 첨가하고, 메틸렌 클로라이드로 유기층을 추출하였다. 상기 유기층을 헥산:메틸렌 클로라이드(50:1 v/v)를 사용하는 실리카겔 크로마토그래피로 정제하여 4,7-비스(5-브로모티오펜-2-일)-5,6-디플루오로-2-(6-(1,1,1,3,5,5,5-헵타메틸트리실록산-3-일)헥실)-2H-벤조[d][1,2,3]트리아졸 [화학식 4]을 수득하였다(0.21 g, 수율 85%).N-bromosuccinimide (0.15 g, 0.87 mmol) was added to the compound 7 (0.4 g, 0.415 mmol) in CHCl 3 (15 mL), and the light was blocked and 24 It was stirred at room temperature for hours. Then, NaHCO 3 aqueous solution was added to the mixture, and the organic layer was extracted with methylene chloride. The organic layer was purified by silica gel chromatography using hexane:methylene chloride (50:1 v/v) to 4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5,6-difluoro-2 -(6-(1,1,1,3,5,5,5-heptamethyltrisiloxan-3-yl)hexyl)-2H-benzo[d][1,2,3]triazole [Formula 4] was obtained (0.21 g, yield 85%).

1H NMR (300 MHz, CDCl3) : δ(ppm) 8.04(d, 2H), 7.25-7.16(d, 2H), 4.76(t, 2H), 2.15(m, 2H), 1.40-1.24(m, 8H), 0.44(m, 3H), 0.06-0.02(t, 18H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ (ppm) 8.04 (d, 2H), 7.25-7.16 (d, 2H), 4.76 (t, 2H), 2.15 (m, 2H), 1.40-1.24 (m) , 8H), 0.44 (m, 3H), 0.06-0.02 (t, 18H).

1.2. [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자 제조1.2. Preparation of conjugated polymer represented by [Formula 1]

마이크로파 용기에 [화학식 3]으로 표시되는 화합물(1.00 eq), [화학식 4]로 표시되는 화합물(1.00 eq) 및 (4,8-비스(5-(6-((2-헥실데실)옥시)나프탈렌-2-일)티오펜-2-일)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일)비스(트리메틸스탄난)((4,8-bis(5-(6-((2-hexyldecyl)oxy)naphthalen-2-yl)thiophen-2-yl)benzo [1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane))을 무수 클로로벤젠에 용해시켰다. 상기 반응 혼합물을 30분 동안 N2로 퍼징(purged)하고, Pd2(dba)3(2 mol %) 및 P(o-tolyl)3(16 mol %)를 첨가한 후, N2로 추가 퍼징하였다. 그리고, 상기 마이크로파 용기를 가열하고, 다시 실온으로 냉각시킨 후, 상기 반응 혼합물에 메탄올을 첨가하여 1차 침전물을 수득하였다. 상기 1차 침전물을 메탄올, 아세톤, 헥산, 에틸 아세테이트 및 클로로포름으로 속시렛 추출(soxhlet extraction)하였다. 상기 추출물을 클로로포름으로 분획하고 농축한 다음, 메탄올로 2차 침전물을 수득하였다. 상기 2차 침전물을 여과하여 진공 하에서 건조시켜 상기 [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자를 제조하였다.A compound represented by [Formula 3] (1.00 eq), a compound represented by [Formula 4] (1.00 eq) and (4,8-bis(5-(6-((2-hexyldecyl)oxy) Naphthalen-2-yl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)((4,8-bis (5-(6-((2-hexyldecyl)oxy)naphthalen-2-yl)thiophen-2-yl)benzo [1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis (trimethylstannane)) was dissolved in anhydrous chlorobenzene. The reaction mixture was purged with N 2 for 30 minutes, Pd 2 (dba) 3 (2 mol %) and P( o -tolyl) 3 (16 mol %) were added, followed by further purging with N 2 did Then, after heating the microwave vessel and cooling to room temperature again, methanol was added to the reaction mixture to obtain a primary precipitate. The first precipitate was subjected to soxhlet extraction with methanol, acetone, hexane, ethyl acetate and chloroform. The extract was fractionated with chloroform, concentrated, and then a secondary precipitate was obtained with methanol. The secondary precipitate was filtered and dried under vacuum to prepare a conjugated polymer represented by [Formula 1].

실시예 2. 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 제조Example 2. Preparation of active layer composition for pre-polymer solar cells

상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자인 고분자 도너와 하기 [화학식 2]로 표시되는 고분자 억셉터를 1:0.5(wt:wt)로 혼합하고, 상기 혼합물에 1-페닐나프탈렌을 첨가하여 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물을 제조하였다. 이때, 상기 1-페닐나프탈렌은 최종적으로 제조된 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물의 총 부피%에 0.5 부피%로 첨가하였다.The polymer donor, which is the conjugated polymer prepared in Example 1, and the polymer acceptor represented by the following [Formula 2] were mixed at 1:0.5 (wt:wt), and 1-phenylnaphthalene was added to the mixture to pre-polymer An active layer composition for a solar cell was prepared. At this time, the 1-phenylnaphthalene was added in an amount of 0.5% by volume to the total volume% of the finally prepared active layer composition for an all-polymer solar cell.

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00009
Figure pat00009

실시예 3. 전-고분자 태양전지 제조Example 3. Preparation of pre-polymer solar cell

기판 상에 제1 전극으로 ITO(indium-tin oxide)를 적층하고, 상기 제1 전극 상에 제1 버퍼층으로 ZnO(전자수송층)을 스핀 코팅하였다. 그리고, 상기 버퍼층 상에 상기 실시예 2에서 제조된 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물을 톨루엔에 용해하여 적층함으로써 광활성층을 형성하고, 상기 광활성층을 120 ℃에서 10분 동안 열처리(thermal annealing, TA)을 수행하였다. 다음으로, 상기 광활성층 상면에 제2 버퍼층으로 몰리브댄 옥사이드(MoO3)(정공수송층) 및 제2 전극으로 은을 순차적으로 적층하여 본 발명에 따른 전-고분자 태양전지를 제조하였다. 이때, 상기 광활성층은 200 nm의 두께로 적층되었다.Indium-tin oxide (ITO) was laminated on the substrate as a first electrode, and ZnO (electron transport layer) was spin-coated on the first electrode as a first buffer layer. Then, the photoactive layer was formed by dissolving the active layer composition for a pre-polymer solar cell prepared in Example 2 in toluene on the buffer layer and laminating it, and the photoactive layer was heat-treated at 120° C. for 10 minutes (thermal annealing, TA) was performed. Next, molybdenum oxide (MoO 3 ) (hole transport layer) as a second buffer layer and silver as a second electrode were sequentially stacked on the upper surface of the photoactive layer to prepare an all-polymer solar cell according to the present invention. At this time, the photoactive layer was laminated to a thickness of 200 nm.

실험예 1. 공액 고분자의 열적, 전기화학적 및 광학적 특성Experimental Example 1. Thermal, electrochemical and optical properties of conjugated polymer

1.1. 열적 특성1.1. thermal properties

본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자의 열적 특성을 확인하기 위해, 10 ℃/min의 가열 속도로 N2 대기 하에서 열 중량 분석(Thermal Gravimetric Analysis, TGA) 및 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC)를 측정하였으며, 이를 도 2에 나타내었다.In order to confirm the thermal properties of the conjugated polymer prepared in Example 1 according to the present invention, thermal gravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (Differential Scanning) under N 2 atmosphere at a heating rate of 10 °C/min Calorimetry, DSC) was measured, and it is shown in FIG. 2 .

도 2를 참조하면, (a) 본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자의 5% 중량 손실에서 분해 온도(Td)는 333 ℃이며, 상기 결과로부터 본 발명에 따른 공액 고분자는 333 ℃까지 열적으로 안정함을 확인할 수 있다. 또한, (b) 본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자의 특징적인 상전이는 200 ℃까지 관찰되지 않았다. 이는 실론산으로 기능화된 π-공액 도너 고분자인 상기 실시예 1의 공액 고분자가 내열성이 뛰어나고 매우 안정적인 것으로, 상기 공액 고분자를 전-고분자 태양전지에 적용했을 때 광전지 서능 저하를 방지할 수 있음을 시사하는 것이라 할 수 있다.Referring to FIG. 2, (a) the decomposition temperature (Td) at 5% weight loss of the conjugated polymer prepared in Example 1 according to the present invention is 333 ° C. From the results, the conjugated polymer according to the present invention is 333 ° C. It can be confirmed that thermal stability up to In addition, (b) the characteristic phase transition of the conjugated polymer prepared in Example 1 according to the present invention was not observed up to 200 °C. This suggests that the conjugated polymer of Example 1, which is a π-conjugated donor polymer functionalized with silonic acid, has excellent heat resistance and is very stable, and can prevent deterioration of photovoltaic performance when the conjugated polymer is applied to an all-polymer solar cell. it can be said that

1.2. 전기화학적 특성1.2. electrochemical properties

본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자의 전기화학적 특성을 확인하기 위해, 내부 표준으로 페로센(ferrocene)을 사용하여 CHCl3 용액에서 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자의 전기 화학적 특성을 순환 전압 전류법(Cyclic voltammetry)을 통해 확인하였으며, 이를 도 3에 나타내었다.In order to confirm the electrochemical properties of the conjugated polymer prepared in Example 1 according to the present invention, the electrochemical properties of the conjugated polymer prepared in Example 1 in CHCl 3 solution using ferrocene as an internal standard were measured. It was confirmed through cyclic voltammetry, which is shown in FIG. 3 .

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자가 안정적인 전압-전류 곡선을 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that the conjugated polymer prepared in Example 1 according to the present invention has a stable voltage-current curve.

1.3. 광학적 특성1.3. optical properties

본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자의 광학적 특성을 확인하기 위해, 상기 실시예 1에 제조된 공액 고분자, 실시예 2에 사용된 [화학식 2]로 표시되는 고분자 어셉터, 및 실시예 2에서 제조된 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물에 대해 CHCl3 용액(1x10-5 M) 상태에서 UV-vis 흡수 스펙트럼(UV-visible absorption spectra)을 측정하였으며, 이를 도 4에 나타내었다.In order to confirm the optical properties of the conjugated polymer prepared in Example 1 according to the present invention, the conjugated polymer prepared in Example 1, the polymer acceptor represented by [Formula 2] used in Example 2, and implementation For the active layer composition for a pre-polymer solar cell prepared in Example 2, a UV-visible absorption spectrum was measured in a CHCl 3 solution (1x10 -5 M) state, and this is shown in FIG. 4 .

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자(green line)는 300-650 nm 범위의 광 흡수 스펙트럼과 350 nm에서 약한 흡수 피크를 보이는 것을 확인할 수 있으며, 550 nm에서 최대 흡수 피크를 나타냈는데, 이는 용액 상태에서 강력한 자기 응집 특성을 나타낸 것이다. 특히, 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자(green line)는 [화학식 2]로 표시되는 고분자 어셉터(red line)와 상보적인 흡수를 보이고 있으며, 이로 인해 최종적으로 실시예 2에서 제조된 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물(blue line)의 최대 흡수파장(λmax)이 넓은 영역으로 향상됨을 확인할 수 있다. 높은 흡수 계수는 분자 간 상호작용을 통해 광 수확 능력을 높이는데 도움이 되는 구성으로, 이는 보다 향상된 단락 전류(short-circuit current, JSC)를 가질 수 있음을 시사한다 할 수 있다. 4, it can be seen that the conjugated polymer (green line) prepared in Example 1 according to the present invention shows a light absorption spectrum in the range of 300-650 nm and a weak absorption peak at 350 nm, and at 550 nm The maximum absorption peak was shown, which indicates strong self-aggregation properties in the solution state. In particular, the conjugated polymer (green line) prepared in Example 1 exhibits complementary absorption with the polymer acceptor (red line) represented by [Formula 2], and thus finally prepared in Example 2 - It can be seen that the maximum absorption wavelength (λ max ) of the active layer composition (blue line) for a polymer solar cell is improved over a wide area. A high absorption coefficient is a configuration that helps to increase the light harvesting ability through intermolecular interactions, which suggests that it may have an improved short-circuit current (J SC ).

또한, 필름 상태의 고분자는 600 nm에서 숄더 흡수 피크(shoulder absorption peak)를 나타내어 강력한 분자 간 π-π 적층(π-π stacking) 및 분자 상호작용을 갖는 것을 확인할 수 있다. In addition, the polymer in the film state exhibits a shoulder absorption peak at 600 nm, confirming that it has strong intermolecular π-π stacking and molecular interactions.

1.4. HOMO 및 LUMO 구조를 통한 전기적 특성1.4. Electrical properties through HOMO and LUMO structures

본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자의 구조적 형태에 따른 전기적 특성을 확인하기 위해, 상기 실시예 1에 제조된 공액 고분자에 대해 B3LYP/6-31G(d) basic set를 이용하여 밀도범함수(Density functional theory, DFT)를 계산하였으며, 이를 도 5에 나타내었다.In order to confirm the electrical properties according to the structural form of the conjugated polymer prepared in Example 1 according to the present invention, the density using the B3LYP/6-31G(d) basic set for the conjugated polymer prepared in Example 1 Density functional theory (DFT) was calculated, which is shown in FIG. 5 .

도 5를 참조하면, 상기 실시예 1에서 제조된 공액 고분자는 가장 높은 에너지 레벨은 HOMO는 -4.90 eV이며, 가장 낮은 에너지 레벨인 LUMO는 -2.25 eV인 것을 확인할 수 있으며, 상기와 같은 결과는 π-π 적층으로 매우 잘 정렬된 분자 패킹이 생성되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that the highest energy level of the conjugated polymer prepared in Example 1 is -4.90 eV for HOMO, and -2.25 eV for LUMO, which is the lowest energy level, and the same result is π It can be confirmed that very well ordered molecular packing was generated by -π stacking.

실험예 2. 활성층 두께에 따른 전-고분자 태양전지의 광전지 성능Experimental Example 2. Photovoltaic performance of all-polymer solar cells according to active layer thickness

활성층 두께에 따른 전-고분자 태양전지의 광전지 성능을 확인하기 위해, 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지(black line)를 시뮬레이션된 태양광 조명(AM 1.5G, 100 mW/cm2) 하에서 충전율(Fill Factor, FF), 단락 전류(short-circuit current, JSC), 개방전압(open-circuit voltage, VOC) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)를 측정하였다. 이때, 비교군으로 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지와 모든 구성이 동일하되, 광활성층의 두께만을 각각 100 nm 및 300 nm로 상이하게 형성된 비교 전-고분자 태양전지 1 및 2를 제조하여 동일하게 실험을 수행하였으며, 이를 도 7 및 하기 [표 1]에 나타내었다. In order to confirm the photovoltaic performance of the all-polymer solar cell according to the thickness of the active layer, the all-polymer solar cell (black line) prepared in Example 3 was simulated with solar illumination (AM 1.5G, 100 mW/cm 2 ) Fill factor (FF), short-circuit current (J SC ), open-circuit voltage (V OC ) and power conversion efficiency (PCE) were measured under In this case, as a comparative group, comparative pre-polymer solar cells 1 and 2 having all the same configurations as those of the pre-polymer solar cells prepared in Example 3, but having different photoactive layer thicknesses of 100 nm and 300 nm, respectively, were prepared. Thus, the same experiment was performed, which is shown in FIG. 7 and [Table 1] below.

[표 1][Table 1]

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 [표 1] 및 도 7을 참조하면, 광활성층을 200 nm 두께로 형성된 본 발명에 따른 전-고분자 태양전지(실시예 3)이 광활성층이 100 nm 두께로 형성된 비교 전-고분자 태양전지 1 및 광활성층이 300 nm 두께로 형성된 비교 전-고분자 태양전지 2와 비교하여, FF, JSC, VOC 및 PCE에서 유의미한 차이를 갖는 것을 확인할 수 있다. Referring to [Table 1] and FIG. 7, the comparative pre-polymer solar cell 1 in which the photoactive layer was formed to a thickness of 100 nm in the pre-polymer solar cell (Example 3) according to the present invention in which the photoactive layer was formed to a thickness of 200 nm And compared with the comparative pre-polymer solar cell 2 in which the photoactive layer was formed to a thickness of 300 nm, it can be confirmed that there are significant differences in FF, J SC , V OC and PCE.

상기 결과로부터, 본 발명에 따른 전-고분자 태양전지에 있어서 광활성층은 200 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.From the above results, it can be confirmed that in the all-polymer solar cell according to the present invention, the photoactive layer is preferably formed to have a thickness of 200 nm.

실험예 3. 개질 용매에 따른 전-고분자 태양전지의 광전지 성능Experimental Example 3. Photovoltaic performance of all-polymer solar cells according to the reforming solvent

3.1. 활성층 표면 형태 확인3.1. Confirmation of the surface shape of the active layer

개질 용매에 따른 전-고분자 태양전지의 표면 형태를 확인하기 위해, (a) 상기 실시예 3에서 톨루엔을 용매로 사용하여 형성한 전-고분자 태양전지의 광활성층에 대해 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 측정하였다. 이때, 비교군으로 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지와 모든 구성이 동일하되, (b) 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-MeTHF) 및 (c) 사이클로펜틸 메틸 에테르(Cyclopentyl methyl ether, CPME)를 용매로 사용하여 형성한 비교 전-고분자 태양전지의 광활성층 3 및 4를 제조하여 동일하게 AFM을 측정하였으며, 이를 도 8에 나타내었다.In order to confirm the surface morphology of the all-polymer solar cell according to the modifying solvent, (a) an atomic force microscope (Atomic Force Microscope) for the photoactive layer of the all-polymer solar cell formed using toluene as a solvent in Example 3 , AFM) were measured. In this case, as a comparative group, all the configurations of the all-polymer solar cell prepared in Example 3 were the same, but (b) 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF) and (c) cyclopentyl methyl ether (Cyclopentyl methyl ether) , CPME) was used as a solvent to prepare photoactive layers 3 and 4 of a comparative pre-polymer solar cell, and AFM was measured in the same manner, which is shown in FIG. 8 .

도 8을 참조하면, (b) 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-MeTHF) 및 (c) 사이클로펜틸 메틸 에테르(CPME)용매로 사용하여 형성된 광활성층이 갖는 비교 전-고분자 태양전지 3 및 4의 광활성층의 표면 거칠기(root-mean-square, RMS) 값은 각각 1.49 nm 및 1.18 nm임을 확인할 수 있다. 반면, (a) 본 발명에 따라 톨루엔을 용매로 사용하여 형성된 전-고분자 태양전지(실시예 3)의 광활성층의 표면 거칠기는 현저히 낮은 0.33 nm를 갖는 것을 확인할 수 있다.8, comparative pre-polymer solar cells 3 and 4 having a photoactive layer formed using (b) 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF) and (c) cyclopentyl methyl ether (CPME) solvents It can be seen that the root-mean-square (RMS) values of the photoactive layer are 1.49 nm and 1.18 nm, respectively. On the other hand, (a) it can be seen that the surface roughness of the photoactive layer of the pre-polymer solar cell (Example 3) formed using toluene as a solvent according to the present invention has a remarkably low 0.33 nm.

낮은 표면 거칠기 값(RMS)은 필름 내에서 우수한 혼화성(miscibility)을 가질 수 있음을 시사하는 것으로, 상기 결과로부터 본 발명에 따라 톨루엔을 이용하여 형성된 광활성층을 포함한 전-고분자 태양전지는 우수한 혼화성을 기대할 수 있음을 알 수 있다.The low surface roughness value (RMS) suggests that it can have excellent miscibility in the film. It can be seen that Mars can be expected.

3.2. 전하 캐리어 이동도 확인3.2. Check the charge carrier mobility

용매에 따른 전-고분자 태양전지의 전하 캐리어 이동도를 확인하기 위해, (a) 상기 실시예 3에서 톨루렌을 용매로 형성된 광활성층을 포함한 전-고분자 태양전지, (b) 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-MeTHF) 및 (c) 사이클로펜틸 메틸 에테르(Cyclopentyl methyl ether, CPME)용매로 형성된 광활성층을 포함한 비교 전-고분자 태양전지 3 및 4에 대해 공간 전하 제한 전류(space-charge-limited current, SCLC) 방법을 통해 전하 캐리어 이동도를 확인하였으며, 이를 도 9 및 하기 [표 2]에 나타내었다.In order to confirm the charge carrier mobility of the all-polymer solar cell according to the solvent, (a) the all-polymer solar cell including a photoactive layer formed of toluene as a solvent in Example 3, (b) 2-methyltetrahydro Space-charge-limited currents for comparative pre-polymer solar cells 3 and 4 with photoactive layers formed with furan (2-MeTHF) and (c) cyclopentyl methyl ether (CPME) solvents. , SCLC) method was used to confirm the charge carrier mobility, which is shown in FIG. 9 and [Table 2] below.

[표 2][Table 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

도 9 및 상기 [표 2]를 참조하면, (a) 실시예 3에서 제작된 톨루엔 용매를 이용하여 형성된 광활성층이 기반 전-고분자 태양전지의 경우 2.99×10-3 cm2/V·S 정공 이동도(hole mobility)(μh) 및 2.65×10-3 cm2/V·S 전자 이동도(electron mobility, μe)을 가지며, 이에 따른 전하 캐리어 이동도(μhe)가 1.13임을 확인할 수 있다. 반면, (b) 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-MeTHF) 및 (c) 사이클로펜틸 메틸 에테르(Cyclopentyl methyl ether, CPME)용매로 형성된 광활성층 기반 비교 전-고분자 태양전지 3 및 4의 경우 (a) 실시예 3에서 제조된 톨루엔용매를 이용하여 형성된 광활성층 기반 전-고분자 태양전지와 비교하여 현저한 차이를 갖는 정공 이동도 및 전자 이동도를 가지며, 전하 캐리어 이동도에 있어서도 보다 균형 잡힌 값을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9 and [Table 2], (a) 2.99×10 -3 cm 2 /V·S holes in the case of an all-polymer solar cell based on the photoactive layer formed using the toluene solvent prepared in Example 3 It has hole mobility (μ h ) and 2.65×10 -3 cm 2 /V·S electron mobility (μ e ), and thus charge carrier mobility (μ he ) is 1.13 It can be confirmed that On the other hand, in the case of comparative pre-polymer solar cells 3 and 4 based on a photoactive layer formed with (b) 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF) and (c) cyclopentyl methyl ether (CPME) solvents (a ) It has hole mobility and electron mobility with significant differences compared to the photoactive layer-based pre-polymer solar cell formed using the toluene solvent prepared in Example 3, and a more balanced value in charge carrier mobility. can

상기 결과로부터 본 발명에 따라 톨루엔을 용매로 이용하여 형성된 광활성층 기반 전-고분자 태양전지가 높은 전하 전달에 의해 FF 및 Jsc를 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다.From the above results, it can be confirmed that the photoactive layer-based all-polymer solar cell formed using toluene as a solvent according to the present invention can increase FF and J sc by high charge transfer.

3.3. 전-고분자 태양전지의 광전지 성능 확인3.3. Confirmation of photovoltaic performance of all-polymer solar cells

개질 용매에 따른 전-고분자 태양전지의 광전지 성능을 확인하기 위해, (a) 상기 실시예 3에서 제조된 톨루엔용매를 이용하여 형성된 광활성층 기반 전-고분자 태양전지, (b) 2-메틸테트라하이드로퓨란(2-MeTHF) 및 (c) 사이클로펜틸 메틸 에테르(Cyclopentyl methyl ether, CPME)를 용매로하여 형성된 광활성층 기반 전-고분자 태양전지 3 및 4에 대해 충전율(Fill Factor, FF), 단락 전류(short-circuit current, JSC), 개방전압(open-circuit voltage, VOC) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)를 확인하였으며, 이를 하기 [표 3]에 나타내었다.In order to confirm the photovoltaic performance of the pre-polymer solar cell according to the modifying solvent, (a) a photoactive layer-based pre-polymer solar cell formed using the toluene solvent prepared in Example 3 above, (b) 2-methyltetrahydro Fill factor (FF), short-circuit current ( short-circuit current, J SC ), open-circuit voltage, V OC ) and power conversion efficiency (PCE) were checked, and are shown in Table 3 below.

[표 3][Table 3]

Figure pat00012
Figure pat00012

상기 [표 3]을 참조하면, 충전율(Fill Factor, FF), 단락 전류(short-circuit current, JSC), 개방전압(open-circuit voltage, VOC) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)의 모든 광전지 성능 파라메타에 있어서 본 발명에 따라 톨루엔용매를 이용하여 형성된 광활성층의 낮은 표면 거칠기로 인하여 전-고분자 태양전지(실시예 3)가 현저히 우수한 성능을 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히, 충전율 및 전력변환효율에 있어서 현저히 향상된 값을 갖는 바, 본 발명에 따른 전-고분자 태양전지는 톨루엔으로 광활성층을 형성하는것이 가장 바람직함을 확인할 수 있다.Referring to [Table 3], the filling factor (Fill Factor, FF), short-circuit current (J SC ), open-circuit voltage (V OC ) and power conversion efficiency (PCE) ), it can be seen that the all-polymer solar cell (Example 3) has remarkably excellent performance due to the low surface roughness of the photoactive layer formed using the toluene solvent according to the present invention in all photovoltaic performance parameters. In particular, it can be confirmed that it is most preferable to form a photoactive layer with toluene in the all-polymer solar cell according to the present invention, since it has significantly improved values in the charging rate and power conversion efficiency.

실험예 4. 열처리 온도에 따른 전-고분자 태양전지의 광전지 성능Experimental Example 4. Photovoltaic performance of all-polymer solar cells according to heat treatment temperature

열 어닐링 온도에 따른 전-고분자 태양전지의 광전지 성능을 확인하기 위해, 120 ℃에서 열처리를 수행한 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지의 광활성층에 대해 충전율(Fill Factor, FF), 단락 전류(short-circuit current, JSC), 개방전압(open-circuit voltage, VOC) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)을 확인하였다. 이때, 비교군으로 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지와 모든 구성이 동일하되, 열처리 온도만을 80 ℃ 및 200 ℃로 수행한 비교 전-고분자 태양전지 5 및 6을 제조하여 동일하게 상기 파라미터를 측정하였으며, 이를 하기 [표 4]에 나타내었다.In order to check the photovoltaic performance of the all-polymer solar cell according to the thermal annealing temperature, the fill factor (FF) of the photoactive layer of the all-polymer solar cell prepared in Example 3, which was heat-treated at 120 ° C. (Fill Factor, FF), Short-circuit current (J SC ), open-circuit voltage (V OC ) and power conversion efficiency (PCE) were checked. In this case, as a comparative group, comparative pre-polymer solar cells 5 and 6 having all the same configurations as those of the pre-polymer solar cells prepared in Example 3, except that only the heat treatment temperature was performed at 80 ° C and 200 ° C, were prepared and the same The parameters were measured, and are shown in [Table 4] below.

[표 4][Table 4]

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 [표 4]를 참조하면, 충전율(Fill Factor, FF), 단락 전류(short-circuit current, JSC), 개방전압(open-circuit voltage, VOC) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)의 모든 광전지 성능 파라메타에 있어서 본 발명에 따라 120 ℃에서 열처리가 수행된 전-고분자 태양전지(실시예 3)가 현저히 우수한 성능을 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히, 단락 전류, 충전율 및 전력변환효율에 있어서 현저히 향상된 값을 갖는 바, 본 발명에 따른 전-고분자 태양전지는 120 ℃에서 열처리가 수행되는 것이 가장 바람직함을 확인할 수 있다.Referring to [Table 4], the fill factor (FF), short-circuit current (J SC ), open-circuit voltage (V OC ) and power conversion efficiency (PCE) ), it can be seen that the all-polymer solar cell (Example 3) subjected to the heat treatment at 120° C. according to the present invention has remarkably excellent performance in all photovoltaic performance parameters. In particular, since it has significantly improved values in short-circuit current, charging rate, and power conversion efficiency, it can be confirmed that heat treatment is most preferably performed at 120° C. for the all-polymer solar cell according to the present invention.

실험예 5. 열처리 시간에 따른 전-고분자 태양전지의 광전지 성능Experimental Example 5. Photovoltaic performance of all-polymer solar cells according to heat treatment time

5.1. 열처리 시간에 따른 분자 패킹 안정성 확인5.1. Confirmation of molecular packing stability according to heat treatment time

열처리 시간에 따른 전-고분자 태양전지의 전하 캐리어 이동도를 확인하기 위해, 120 ℃에서 10분 동안 열 어닐링을 수행한 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지의 광활성층에 대해 (a) 접지 입사 X-선 회절(Grazing incidence X-ray diffraction, GIXD) 패턴을 측정하고, (b) 이를 통해 추출된 1D 프로파일 그래프를 작성하였다. 이때, 비교군으로 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지와 모든 구성이 동일하되, 열처리 시간만을 (b) 20분 및 (c) 30분 수행한 비교 전-고분자 태양전지 7 및 8을 제조하여 동일하게 GIXD를 측정하였으며, 이를 도 10에 나타내었다.In order to confirm the charge carrier mobility of the pre-polymer solar cell according to the heat treatment time, the photoactive layer of the pre-polymer solar cell prepared in Example 3 was thermally annealed at 120 ° C. for 10 minutes (a) Grazing incidence X-ray diffraction (GIXD) patterns were measured, and (b) a 1D profile graph extracted through this was prepared. In this case, as a comparative group, comparative pre-polymer solar cells 7 and 8 having all the same configurations as those of the pre-polymer solar cells prepared in Example 3, but in which only the heat treatment time was performed for (b) 20 minutes and (c) 30 minutes were used. GIXD was measured in the same way as prepared, and this is shown in FIG. 10 .

도 10(a)를 참조하면, 모든 열처리 시간에서의 활성층은 "face-on" 방향인 것으로 확인되지만, 열처리 시간이 증가함에 따라 면외 방향(out-of-plane direction)의 높은 q 영역에서 넓은 반사가 호 방향(arc direction)을 따라 넓어지는 것을 확인할 수 있으며, 열처리 시간이 증가함에 따라 면내 방향(in-plane direction)에서 나타나는 규칙적인 X-선 회절 피크가 약해짐을 확인할 수 있다. 또한, 도 10(b)를 참조하면, 20분 및 30분 동안 열 어닐링 된 비교 전-고분자 태양전지 7 및 8에 대해 평면 내 프로파일(in-plane profile)에서 고차 피크(High order peaks)가 사라지는데, 이는 열처리 시간이 길어질수록 분자 패킹이 악화되는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 전-고분자 태양전지의 열 어닐링 시간은 10분이 가장 바람직함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10( a ), it is confirmed that the active layer is in the "face-on" direction at all heat treatment times, but broad reflection in the high q region in the out-of-plane direction as the heat treatment time increases. It can be seen that is widened along the arc direction, and as the heat treatment time increases, it can be seen that the regular X-ray diffraction peaks appearing in the in-plane direction are weakened. In addition, referring to FIG. 10(b), high order peaks disappear in the in-plane profile for comparative pre-polymer solar cells 7 and 8 that were thermally annealed for 20 minutes and 30 minutes. This means that the molecular packing deteriorates as the heat treatment time increases. That is, it can be confirmed that the thermal annealing time of the all-polymer solar cell according to the present invention is most preferably 10 minutes.

5.2. 열 어닐링 시간에 따른 광전지 성능 확인5.2. Check photovoltaic performance as a function of thermal annealing time

열 어닐링 시간에 따른 전-고분자 태양전지의 광전지 성능을 확인하기 위해, 상기 실시예 3에서 제조된 전-고분자 태양전지(black line), 비교 전-고분자 태양전지 7 및 8, 그리고 열 어닐링을 수행하지 않은 비교 전-고분자 태양전지 9를 시뮬레이션된 태양광 조명(AM 1.5G, 100 mW/cm2) 하에서 충전율(Fill Factor, FF) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)를 측정하였으며, 이를 하기 [표 5]에 나타내었다.In order to confirm the photovoltaic performance of the all-polymer solar cell according to the thermal annealing time, the all-polymer solar cell (black line) prepared in Example 3, the comparative pre-polymer solar cells 7 and 8, and thermal annealing were performed. The non-comparison pre-polymer solar cell 9 was measured under simulated sunlight illumination (AM 1.5G, 100 mW/cm 2 ) and the Fill Factor (FF) and Power Conversion Efficiency (PCE). It is shown in [Table 5] below.

[표 5][Table 5]

Figure pat00014
Figure pat00014

상기 [표 5]에서 확인할 수 있는 바와 같이, 120 ℃에서 10분 동안 열 처리을 수행한 본 발명에 따른 전-고분자 태양전지(실시예 3)의 충전율(Fill Factor, FF) 및 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)은 각각 7.08% 및 11.66%임을 확인할 수 있다. 상기 결과는 비교 전-고분자 태양전지 7 내지 9와 유의미한 차이를 갖는 결과임을 확인할 수 있다.As can be seen in [Table 5], the charge factor (FF) and power conversion efficiency (Power) of the pre-polymer solar cell (Example 3) according to the present invention subjected to heat treatment at 120 ° C. for 10 minutes It can be seen that the conversion efficiency (PCE) is 7.08% and 11.66%, respectively. It can be confirmed that the above results are significantly different from those of the comparative pre-polymer solar cells 7 to 9.

이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (7)

하기 [화학식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)용 공액 고분자:
[화학식 1]
Figure pat00015

상기 [화학식 1]에서
상기 R1은 페닐(phenyl), 톨릴(tolyl), 크실렌(xylene) 또는 나프틸(naphthyl)이고,
상기 R2는 C, O, N 또는 S이며,
상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬, -C1-10 알콕시 또는 -NH2이고,
상기 R5는 -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬 또는 -C1-10 알콕시이며,
상기 X는 F, Cl, Br 또는 I이고,
상기 n은 1 내지 1,000이다.
Conjugated polymer for all-polymer solar cells (all-PSCs), characterized in that it is represented by the following [Formula 1]:
[Formula 1]
Figure pat00015

In the above [Formula 1]
Wherein R 1 is phenyl, tolyl, xylene or naphthyl,
Wherein R 2 is C, O, N or S,
Wherein R 3 and R 4 are each independently hydrogen, halogen, -C 1-20 straight or branched chain alkyl, -C 1-10 alkoxy or -NH 2
wherein R 5 is -C 1-20 straight or branched chain alkyl or -C 1-10 alkoxy;
wherein X is F, Cl, Br or I;
and n is 1 to 1,000.
하기 [화학식 1]로 표시되는 공액 고분자를 포함하는 고분자 도너(polymer donor);
하기 [화학식 2]로 표시되는 고분자 억셉터(polymer acceptor); 및
1-페닐나프탈렌(1-phenylnaphthalene) 첨가제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs)용 활성층 조성물:
[화학식 1]
Figure pat00016

[화학식 2]
Figure pat00017

상기 [화학식 1] 및 [화학식 2]에서
상기 R1은 페닐(phenyl), 톨릴(tolyl), 크실렌(xylene) 또는 나프틸(naphthyl)이고,
상기 R2는 C, O, N 또는 S이며,
상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬, -C1-10 알콕시 또는 -NH2이고,
상기 R5는 -C1-20 직쇄 또는 분지쇄 알킬 또는 -C1-10 알콕시이며,
상기 X는 F, Cl, Br 또는 I이고,
상기 n은 1 내지 1,000이다.
A polymer donor comprising a conjugated polymer represented by the following [Formula 1];
A polymer acceptor represented by the following [Formula 2]; and
An active layer composition for all-polymer solar cells (all-PSCs) comprising a 1-phenylnaphthalene additive:
[Formula 1]
Figure pat00016

[Formula 2]
Figure pat00017

In [Formula 1] and [Formula 2]
Wherein R 1 is phenyl, tolyl, xylene or naphthyl,
Wherein R 2 is C, O, N or S,
Wherein R 3 and R 4 are each independently hydrogen, halogen, -C 1-20 straight or branched chain alkyl, -C 1-10 alkoxy or -NH 2
wherein R 5 is -C 1-20 straight or branched chain alkyl or -C 1-10 alkoxy;
wherein X is F, Cl, Br or I;
and n is 1 to 1,000.
제2항에 있어서,
상기 고분자 도너 : 고분자 억셉터의 비율은 1 : 0.3 내지 1.2 (wt:wt)의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물.
3. The method of claim 2,
The polymer donor: polymer acceptor ratio is 1: 0.3 to 1.2 (wt: wt) of the active layer composition for an all-polymer solar cell, characterized in that it comprises a ratio.
제2항에 있어서,
상기 1-페닐나프탈렌 첨가제는 상기 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물 총 부피% 대비 0.2 내지 0.6 부피%의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물.
3. The method of claim 2,
The 1-phenylnaphthalene additive is an active layer composition for a pre-polymer solar cell, characterized in that it is included in a ratio of 0.2 to 0.6% by volume based on the total volume% of the active layer composition for a pre-polymer solar cell.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 전-고분자 태양전지용 활성층 조성물을 채용한 광활성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지(all-polymer solar cells; all-PSCs).All-polymer solar cells (all-PSCs) comprising a photoactive layer employing the active layer composition for an all-polymer solar cell according to any one of claims 2 to 4. 제5항에 있어서,
상기 광활성층은 150 내지 250 nm의 두께인 것을 특징으로 하는 전-고분자 태양전지.
6. The method of claim 5,
The photoactive layer is an all-polymer solar cell, characterized in that the thickness of 150 to 250 nm.
제5항에 있어서,
상기 비할로겐화 용매인 톨루엔(toluene)을 용매로 하여 형성된 광활성층의 낮은 표면 거칠기를 특징 보이는 전-고분자 태양전지.
6. The method of claim 5,
An all-polymer solar cell characterized by low surface roughness of a photoactive layer formed using the non-halogenated solvent, toluene, as a solvent.
KR1020200130349A 2020-10-08 2020-10-08 Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising thereof, and uses thereof KR102457457B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200130349A KR102457457B1 (en) 2020-10-08 2020-10-08 Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising thereof, and uses thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200130349A KR102457457B1 (en) 2020-10-08 2020-10-08 Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising thereof, and uses thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220046976A true KR20220046976A (en) 2022-04-15
KR102457457B1 KR102457457B1 (en) 2022-10-20

Family

ID=81211782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200130349A KR102457457B1 (en) 2020-10-08 2020-10-08 Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising thereof, and uses thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102457457B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080094237A (en) 2007-04-19 2008-10-23 충주대학교 산학협력단 Polymers having both electron donor and electron acceptor
KR20110038043A (en) 2008-07-02 2011-04-13 바스프 에스이 High performance solution processable semiconducting polymers based on alternating donor acceptor copolymers
KR101786986B1 (en) * 2016-09-07 2017-10-18 부산대학교 산학협력단 Environmental sustainable composition materials for solar cells, preparation method thereof and solar cell comprising the same
KR20180126451A (en) * 2016-01-20 2018-11-27 더 홍콩 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀러지 Organic semiconductor formulations and uses thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080094237A (en) 2007-04-19 2008-10-23 충주대학교 산학협력단 Polymers having both electron donor and electron acceptor
KR20110038043A (en) 2008-07-02 2011-04-13 바스프 에스이 High performance solution processable semiconducting polymers based on alternating donor acceptor copolymers
KR20180126451A (en) * 2016-01-20 2018-11-27 더 홍콩 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀러지 Organic semiconductor formulations and uses thereof
KR101786986B1 (en) * 2016-09-07 2017-10-18 부산대학교 산학협력단 Environmental sustainable composition materials for solar cells, preparation method thereof and solar cell comprising the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Nature Communications, vol.10, Article number:4100(2019.09.10) *
한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 45(2)(2020.10.05.) *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102457457B1 (en) 2022-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5034818B2 (en) Organic photoelectric conversion element
JP2014512100A (en) Electro-optic device active material and electro-optic device
JPWO2008044585A1 (en) Electron donating organic material for photovoltaic element, photovoltaic element material and photovoltaic element
JP6017836B2 (en) Electron donor polymer and solar cell including the same
JP6280208B2 (en) Polymer and solar cell using the same
JP2013512985A (en) Conductive polymer introduced with pyrene compound and organic solar cell using the same
US20100084000A1 (en) Organic photoelectric conversion device and polymer useful for producing the same
WO2014069468A1 (en) Polymer, organic thin film solar cell using same, and electronic device provided with said solar cell
KR20150142834A (en) Copolymer and organic solar cell comprising the same
KR101815755B1 (en) Phenazine derivatives with the extended conjugated structure and applied to the organic photovoltaic polymers
WO2012043401A1 (en) Alternating copolymerization polymer and organic photoelectric conversion element
JP2014177409A (en) Anthradithiophene compound, organic thin film solar cell material including the anthradithiophene compound, and organic thin film solar cell using the organic thin film solar cell material
JP2014034618A (en) Organic thin film, and photoelectric conversion element using the same
WO2014038526A1 (en) Block copolymer and photoelectric conversion element using same
KR101328526B1 (en) Organic photovoltain polymer and manufacturing method thereof
KR20160043858A (en) Polymer and organic solar cell comprising the same
JP5476660B2 (en) Organic photoelectric conversion device and polymer useful for production thereof
KR102457457B1 (en) Conjugated polymer for all-polymer solar cell, active layer composition for all-polymer solar cell comprising thereof, and uses thereof
WO2023091152A1 (en) Fused dithieno benzothiadiazole polymers for organic photovoltaics
KR101786986B1 (en) Environmental sustainable composition materials for solar cells, preparation method thereof and solar cell comprising the same
TWI647250B (en) Polymer compound, organic photoelectric conversion element, and method of manufacturing the same
JP2014003255A (en) Organic thin film and photoelectric conversion element using the same
KR101807228B1 (en) Novel polymer, manufacturing method thereof, and electronic device containing the same
JP2015183032A (en) Polymer having condensed ring type cyclopenta-dithiophene skeleton and organic thin-film solar battery material using the same
JP2014051556A (en) π-ELECTRON CONJUGATED RANDOM COPOLYMER, AND PHOTOELECTRIC CONVERSION ELEMENT USING THE SAME

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant