WO2018236100A1 - 유기 태양 전지 - Google Patents

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WO2018236100A1
WO2018236100A1 PCT/KR2018/006834 KR2018006834W WO2018236100A1 WO 2018236100 A1 WO2018236100 A1 WO 2018236100A1 KR 2018006834 W KR2018006834 W KR 2018006834W WO 2018236100 A1 WO2018236100 A1 WO 2018236100A1
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최두환
이지영
임보규
장송림
김지훈
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주식회사 엘지화학
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present disclosure relates to organic solar cells.
  • Organic solar cells are devices that can convert solar energy directly into electric energy by applying photovoltaic effect.
  • Solar cells can be divided into inorganic solar cells and organic solar cells depending on the material constituting the thin film.
  • Conventional inorganic solar cells have already been limited in economical efficiency and supply / demand of materials, so they are easy to process, Organic solar cells are emerging as a long-term alternative energy source.
  • the fullerene-based compound which is a conventional electron acceptor material, has a low absorption rate in the visible light region and a low thermal stability .
  • One embodiment of the present disclosure includes a first electrode; A second electrode facing the first electrode; And at least one organic material layer disposed between the first electrode and the second electrode and including a photoactive layer, wherein the photoactive layer includes an electron donor and an electron acceptor, wherein the electron donor is represented by Formula 1 A first unit; A second unit represented by the following formula (2); And a third unit represented by the following formula (3), wherein the electron acceptor comprises a non-fullerene-based compound.
  • X1 to X4 are the same or different from each other and are independently selected from the group consisting of CRR ', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR '
  • Y1 and Y2 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of CR “, N, SiR", P and GeR "
  • R20 and R21 are the same or different from each other and each independently represents a substituted or unsubstituted alkoxy group; Or a substituted or unsubstituted aryloxy group,
  • a and b are the same or different and each is an integer of 1 to 3,
  • d and e are each an integer of 0 to 3
  • A1 to A4 are the same or different from each other, and each independently is hydrogen, fluorine or chlorine, and at least one of A1 to A4 is fluorine or chlorine.
  • the organic solar cell according to one embodiment of the present invention is excellent in thermal stability and power conversion efficiency by using the polymer as an electron conduit and using the non-fullerene compound as an electron acceptor.
  • the polymer according to one embodiment of the present invention has a high HOMO energy level, and thus the organic solar cell including the photoactive layer as an electron hole has excellent open-circuit voltage characteristics.
  • FIG 1 shows an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a graph showing current densities of organic solar cells according to Comparative Examples 1 and 2 according to the voltage.
  • Fig. 4 is a diagram showing the NMR spectrum of the formula J synthesized in Production Example.
  • unit means a repeating structure contained in a monomer of a polymer, wherein the monomer is bonded to the polymer by polymerization.
  • a member when a member is located on another member, it includes not only when a member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.
  • the energy level means the magnitude of energy. Therefore, even when the energy level is displayed in the minus (-) direction from the vacuum level, the energy level is interpreted to mean the absolute value of the energy value.
  • the HOMO energy level means the distance from the vacuum level to the highest occupied molecular orbital.
  • the LUMO energy level also means the distance from the vacuum level to the lowest unoccupied molecular orbital.
  • One embodiment of the present disclosure includes a first electrode; A second electrode facing the first electrode; And at least one organic material layer disposed between the first electrode and the second electrode and including a photoactive layer, wherein the photoactive layer includes an electron donor and an electron acceptor, wherein the electron donor is represented by Formula 1 A first unit; A second unit represented by Formula 2; And a third unit represented by the general formula (3), wherein the electron acceptor comprises a non-fullerene-based compound.
  • an electron excitation and an electron acceptor absorb light to form an exciton, and the generated exciton moves to the interface between the electron excitation and the electron acceptor and is separated into electrons and holes.
  • the holes are moved to the respective electrodes along the electron donor to generate a current.
  • &quot substituted " means that the hydrogen atom bonded to the carbon atom of the compound is replaced with another substituent, and the substituted position is not limited as long as the substituent is a substitutable position, , Two or more substituents may be the same as or different from each other.
  • the "substituent group to which two or more substituents are connected” may be a biphenyl group. That is, the biphenyl group may be an aryl group, and may be interpreted as a substituent in which two phenyl groups are connected.
  • examples of the halogen group include fluorine, chlorine, bromine or iodine.
  • the alkyl group may be linear or branched, and the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 1 to 50.
  • Specific examples include methyl, ethyl, propyl, n-propyl, isopropyl, butyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, sec- N-pentyl, 3-dimethylbutyl, 2-ethylbutyl, heptyl, n-hexyl, Cyclohexylmethyl, octyl, n-octyl, tert-octyl, 1-methylheptyl, 2-ethylhexyl, 2-propylpentyl, n-nonyl, 2,2-dimethyl Heptyl, 1-ethyl-propyl, 1,1-dimethyl-propyl, isohexyl, 2-methylhexyl, 4-methylhexyl and 5-methyl
  • the cycloalkyl group is not particularly limited, but preferably has 3 to 60 carbon atoms, and specifically includes cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, 3-methylcyclopentyl, 2,3-dimethylcyclopentyl, cyclohexyl, But are not limited to, 3-methylcyclohexyl, 4-methylcyclohexyl, 2,3-dimethylcyclohexyl, 3,4,5-trimethylcyclohexyl, 4-tert- butylcyclohexyl, cycloheptyl and cyclooctyl Do not.
  • the alkoxy group may be linear, branched or cyclic.
  • the number of carbon atoms of the alkoxy group is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 carbon atoms. Specific examples include methoxy, ethoxy, n-propoxy, isopropoxy, i-propyloxy, n-butoxy, isobutoxy, tert-butoxy, sec-butoxy, n-pentyloxy, neopentyloxy, N-hexyloxy, n-hexyloxy, 3,3-dimethylbutyloxy, 2-ethylbutyloxy, n-octyloxy, n-nonyloxy, n-decyloxy, benzyloxy and p-
  • the present invention is not limited thereto.
  • the alkenyl group may be straight-chain or branched, and the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 2 to 40.
  • Specific examples include vinyl, 1-propenyl, isopropenyl, 1-butenyl, 2-butenyl, 3-butenyl, 1-pentenyl, Butenyl, allyl, 1-phenylvinyl-1-yl, 2-phenylvinyl-1-yl, (Diphenyl-1-yl) vinyl-1-yl, stilbenyl, and styrenyl groups.
  • the aryl group is a monocyclic aryl group
  • the number of carbon atoms is not particularly limited, but is preferably 6 to 25 carbon atoms.
  • Specific examples of the monocyclic aryl group include phenyl group, biphenyl group, terphenyl group, and the like, but are not limited thereto.
  • the aryl group is a polycyclic aryl group
  • the number of carbon atoms is not particularly limited. And preferably has 10 to 24 carbon atoms.
  • Specific examples of the polycyclic aryl group include, but are not limited to, a naphthyl group, an anthracenyl group, a phenanthryl group, a pyrenyl group, a perylenyl group, a klycenyl group and a fluorenyl group.
  • the fluorenyl group may be substituted, and adjacent substituents may be bonded to each other to form a ring.
  • an arylene group means a group having two bonding positions in an aryl group, that is, a divalent group.
  • the description of the aryl group described above can be applied except that each of these is 2 groups.
  • the heterocyclic group includes at least one non-carbon atom or hetero atom, and specifically, the hetero atom may include at least one atom selected from the group consisting of O, N, Se, and S, and the like.
  • the number of carbon atoms of the heterocyclic group is not particularly limited, but is preferably 2 to 60 carbon atoms.
  • heterocyclic group examples include a thiophene group, a furane group, a furyl group, an imidazole group, a thiazole group, an oxazole group, an oxadiazole group, a triazole group, a pyridyl group, a bipyridyl group, a pyrimidyl group, A carbazolyl group, a benzoxazole group, a benzimidazole group, a benzothiazole group, a benzoxazole group, a benzothiazole group, a benzothiazole group, a benzothiazole group, a benzothiazole group, a benzothiazole group, , A benzothiophene group, a dibenzothiophene group, a benzofuranyl group, a phenanthroline group, a thiazolyl group, an isoxazolyl group, an oxadiazolyl group,
  • the aryl group of the aryloxy group is the same as that of the above-mentioned aryl group.
  • Specific examples of the aryloxy group include phenoxy, p-tolyloxy, m-tolyloxy, 3,5-dimethyl-phenoxy, 2,4,6-trimethylphenoxy, Naphthyloxy, 4-methyl-1-naphthyloxy, 5-methyl-2-naphthyloxy, 1-anthryloxy, 2-anthryl Oxy, 9-anthryloxy, 1-phenanthryloxy, 3-phenanthryloxy and 9-phenanthryloxy, but are not limited thereto.
  • the non-fullerene-based compound may be represented by the following formula (A).
  • Ra to Rf are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group,
  • La to Ld are the same or different and each independently represents a substituted or unsubstituted arylene group; Or a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group,
  • Ma and Mb are the same or different from each other, and each independently hydrogen; A halogen group; Or a substituted or unsubstituted alkyl group,
  • p and q are the same as or different from each other, each independently an integer of 0 to 2,
  • each of Ra to Rd is an alkyl group.
  • each of Ra to Rd is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms.
  • each of Ra to Rd is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms.
  • Re and Rf are hydrogen.
  • each of La to Ld is an arylene group.
  • each of La to Ld is an arylene group having 6 to 25 carbon atoms.
  • La to Ld are phenylene groups.
  • each of La to Ld is a divalent heterocyclic group.
  • each of La to Ld is a divalent heterocyclic group having 2 to 30 carbon atoms.
  • each of La to Ld is a divalent heterocyclic group having 2 to 10 carbon atoms.
  • La to Ld are bivalent thiophene groups.
  • Ma and Mb are hydrogen.
  • Ma and Mb are each an alkyl group.
  • Ma and Mb are each an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms.
  • Ma and Mb are methyl groups.
  • Ma and Mb are each a halogen group.
  • Ma and Mb are fluorine.
  • p and q are each 0.
  • p and q are each 1.
  • p and q are each 2.
  • the compound represented by the formula (A) may be any one of the following formulas (A-1) to (A-5).
  • Me means a methyl group.
  • the non-fullerene-based compound has higher thermal stability than the fullerene-based compound.
  • an organic solar cell including the non-fullerene-based compound as an electron acceptor of the photoactive layer and containing the polymer as an electron hole of the photoactive layer has excellent heat stability And has excellent power conversion efficiency.
  • the polymer according to one embodiment of the present invention includes the first unit represented by the above formula (1).
  • two of A 1 to A 4 are each fluorine or chlorine, and may be substituted at opposite positions, i.e., para positions, of the benzene ring.
  • Chlorine interacts with the S atom of the thiophene unit, thereby increasing the planarity of the polymer.
  • A1 to A4 are the same or different from each other and each independently hydrogen, fluorine or chlorine, and at least one of A1 to A4 is fluorine or chlorine.
  • At least one of A1 to A4 is fluorine.
  • two of the groups A1 to A4 are each fluorine or chlorine, and the two groups may be present at ortho or para positions relative to the benzene ring.
  • A1 and A4 are each fluorine, and A2 and A3 are each hydrogen.
  • each of A2 and A3 is fluorine, and A1 and A4 are each hydrogen.
  • A1 and A2 are each fluorine, and A3 and A4 are each hydrogen.
  • A1 is fluorine and A2 to A4 are each hydrogen.
  • each of A1 to A4 is fluorine.
  • a is 1.
  • b is 1.
  • R1 is hydrogen
  • R2 is hydrogen
  • R3 is hydrogen
  • R4 is hydrogen
  • the polymer according to one embodiment of the present disclosure includes the second unit represented by the above formula (2).
  • X1 is S.
  • R10 is hydrogen
  • R11 is hydrogen
  • the second unit represented by Formula 2 may be represented by Formula 2-1 below.
  • R10 and R11 are the same as defined in Formula (2).
  • the polymer according to one embodiment of the present specification includes the third unit represented by the above-mentioned formula (3).
  • X2 is S.
  • X3 is S.
  • X4 is S.
  • Y1 is N.
  • Y2 is N.
  • d is zero.
  • d is one.
  • e is one.
  • e is zero.
  • Q1 is hydrogen
  • Q2 is hydrogen
  • Q3 is hydrogen
  • Q4 is hydrogen
  • R20 and R21 in the third unit represented by the general formula (3) are the same or different and each independently represents a substituted or unsubstituted alkoxy group; Or a substituted or unsubstituted aryloxy group.
  • the S atoms of the second unit represented by the general formula (2) interact with each other to improve packing between the molecules.
  • FF fill factor
  • reaction means that atoms constituting a chemical structure or a chemical structure have non-covalent interactions which are influenced and exerted by actions other than covalent bond.
  • chalcogen bond can do.
  • the polymer according to one embodiment of the present invention minimizes the torsion angle of the backbone of the polymer through noncovalent interactions with other units in or adjacent to the unit to improve the planarity of the polymer .
  • the non-covalent interaction improves pi-stacking and improves charge mobility due to the delocalization of polaron and exiton, it is easy to carry out packing.
  • R20 and R21 are the same or different from each other and each independently represents a substituted or unsubstituted alkoxy group.
  • R20 and R21 are the same or different and each independently represents a substituted or unsubstituted C1-C20 alkoxy group.
  • R20 and R21 are the same or different and each independently a substituted or unsubstituted dodecyloxy group.
  • R20 and R21 are dodecyloxy groups.
  • R20 and R21 are ethylhexyloxy groups.
  • the third unit represented by the formula (3) is represented by the following formula (3-1) or (3-2).
  • R20 and R21 are the same as defined in Formula (3).
  • the polymer includes a unit represented by the following formula (4).
  • l is a molar fraction, 0 ⁇ l ⁇ 1,
  • n 0 ⁇ m ⁇ 1
  • A is a first unit represented by the above formula (1)
  • n is the number of repeating units, and is an integer of 1 to 10,000.
  • a in the formula (4) is a first unit represented by the formula (1), and a and b are each independently an integer of 1 to 3, preferably 1.
  • B in Formula 4 is a second unit represented by Formula 2-1.
  • C and C 'in Formula 4 are the third unit represented by Formula 3-1.
  • the polymer includes units represented by any one of the following formulas (5-1) to (5-4).
  • R22 to R25 are the same or different and each independently represents a substituted or unsubstituted alkyl group; Or a substituted or unsubstituted aryl group,
  • R26 to R31 are the same or different from each other, and each independently hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group,
  • A1 to A4 are the same as defined in formula (1)
  • l is a mole fraction, 0 ⁇ l ⁇ 1,
  • n 0 ⁇ m ⁇ 1
  • n is the number of repeating units, and is an integer of 1 to 10,000.
  • each of R22 to R25 is an alkyl group.
  • each of R22 to R25 is an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms.
  • each of R22 to R25 is an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms.
  • each of R22 to R25 is a dodecyl group.
  • each of R22 to R25 is an ethylhexyl group.
  • R26 to R31 are hydrogen.
  • each of A1 to A4 is fluorine.
  • l is 0.5.
  • m is 0.5.
  • the polymer includes units represented by any one of the following formulas (6-1) to (6-5).
  • the polymer is a random polymer.
  • the solubility is improved in the case of the random polymer, which is economical in time and cost in the manufacturing process of the device.
  • the terminal group of the polymer is a substituted or unsubstituted heterocyclic group; Or a substituted or unsubstituted aryl group.
  • the end group of the polymer is a 4- (trifluoromethyl) phenyl group.
  • the terminal group of the polymer is a bromo-thiophene group.
  • the terminal group of the polymer is a trifluoro-benzene group.
  • the electron donor comprises a first unit represented by Formula 1; A second unit represented by Formula 2; And a third unit represented by the general formula (3), wherein the electron acceptor is a non-fullerene-based compound.
  • the electron donor is a polymer containing a unit represented by the formula (5), and the electron acceptor is a compound represented by the above formula (A-1).
  • the mass ratio of the electron injector and the electron acceptor is 1: 1 to 1: 4.
  • the number average molecular weight of the polymer is preferably from 5,000 g / mol to 1,000,000 g / mol.
  • the polymer may have a molecular weight distribution ranging from 1 to 10.
  • the polymer has a molecular weight distribution of from 1 to 3.
  • the number average molecular weight is preferably 100,000 g / mol or less in order to have a solubility of more than a certain level and to be advantageous in application of a solution coating method.
  • the polymer may be prepared by polymerizing monomers of each unit together with Pd 2 (dba) 3 and P (o-tolyl) 3 using chlorobenzene as a solvent and a microwave reactor.
  • Polymers according to the present disclosure can be prepared by a multistage chemical reaction.
  • the monomers are produced through an alkylation reaction, a Grignard reaction, a Suzuki coupling reaction, a Stille coupling reaction, and the like, followed by a carbon-carbon coupling reaction such as a steel coupling reaction, . ≪ / RTI >
  • the substituent to be introduced is a boronic acid or a boronic ester compound
  • it can be prepared through a Suzuki coupling reaction.
  • the substituent to be introduced is tributyltin or trimethyltin ) Compound, it may be prepared through a steel coupling reaction, but the present invention is not limited thereto.
  • An organic solar cell includes a first electrode, a photoactive layer, and a second electrode.
  • the organic solar cell may further include a substrate, a hole transporting layer, and / or an electron transporting layer.
  • the organic solar cell when the organic solar cell receives photons from an external light source, electrons and holes are generated between the electron beams and the electron acceptors. The generated holes are transported to the anode through the electron main layer.
  • the organic solar cell may further include an additional organic layer.
  • the organic solar cell can reduce the number of organic layers by using organic materials having various functions at the same time.
  • the first electrode is an anode
  • the second electrode is a cathode
  • the first electrode is a cathode and the second electrode is an anode.
  • the organic solar cell may be arranged in the order of the cathode, the photoactive layer, and the anode, and may be arranged in the order of the anode, the photoactive layer, and the cathode, but is not limited thereto.
  • the organic solar cell may be arranged in the order of an anode, a hole transporting layer, a photoactive layer, an electron transporting layer and a cathode, and may be arranged in the order of a cathode, an electron transporting layer, a photoactive layer, a hole transporting layer, , But is not limited thereto.
  • the organic solar cell is a normal structure.
  • the substrate, the first electrode, the hole transport layer, the organic material layer including the photoactive layer, the electron transport layer, and the second electrode may be stacked in this order.
  • the organic solar cell is an inverted structure.
  • the substrate, the first electrode, the electron transport layer, the organic material layer including the photoactive layer, the hole transport layer, and the second electrode may be stacked in this order.
  • the first electrode is an anode
  • the second electrode is a cathode
  • the first electrode is a cathode and the second electrode is an anode.
  • the organic solar cell is a tandem structure.
  • the organic solar cell may include two or more photoactive layers.
  • the organic solar cell according to one embodiment of the present disclosure may have one photoactive layer or two or more layers.
  • a buffer layer may be provided between the photoactive layer and the hole transporting layer or between the photoactive layer and the electron transporting layer.
  • a hole injection layer may be further provided between the anode and the hole transport layer.
  • an electron injecting layer may be further provided between the cathode and the electron transporting layer.
  • the electron donor and the electron acceptor constitute a bulk heterojunction (BHJ).
  • BHJ bulk heterojunction
  • Bulk heterojunction means that the electron donor material and the electron acceptor material are mixed with each other in the photoactive layer.
  • the photoactive layer further comprises an additive.
  • the molecular weight of the additive is from 50 g / mol to 300 g / mol.
  • the boiling point of the additive is an organic matter of 30 ⁇ ⁇ to 300 ⁇ ⁇ .
  • an organic substance means a substance containing at least one carbon atom.
  • the additive is selected from the group consisting of 1,8-diiodooctane (DIO), 1-chloronaphthalene (1-CN), diphenylether (DPE) , Octane dithiol, and tetrabromothiophene.
  • the additive may further include one or two additives selected from the group consisting of tetrabromothiophene, octane dithiol, and tetrabromothiophene.
  • the photoactive layer is a bilayer structure including an n-type organic layer and a p-type organic layer, and the p-type organic layer includes the polymer.
  • the substrate may be a glass substrate or a transparent plastic substrate having excellent transparency, surface smoothness, ease of handling, and waterproofness, but is not limited thereto, and any substrate commonly used in organic solar cells is not limited. Specific examples thereof include glass or PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PP (polypropylene), PI (polyimide) and TAC (triacetyl cellulose). But is not limited thereto.
  • the material of the first electrode may be transparent and excellent in conductivity, but is not limited thereto.
  • Metals such as vanadium, chromium, copper, zinc, and gold, or alloys thereof;
  • Metal oxides such as zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide (IZO);
  • ZnO Al or SnO 2: a combination of a metal and an oxide such as Sb;
  • conductive polymers such as poly (3-methylthiophene), poly [3,4- (ethylene-1,2-dioxy) thiophene] (PEDOT), polypyrrole and polyaniline, but are not limited thereto .
  • the method of forming the first electrode is not particularly limited, and for example, sputtering, E-beam, thermal evaporation, spin coating, screen printing, inkjet printing, doctor blade or gravure printing may be used.
  • the first electrode When the first electrode is formed on a substrate, it may undergo cleaning, moisture removal and hydrophilic reforming processes.
  • the patterned ITO substrate is sequentially cleaned with a detergent, acetone, and isopropyl alcohol (IPA), and then heated on a heating plate at 100 ° C to 150 ° C for 1 minute to 30 minutes, preferably at 120 ° C for 10 minutes Dried, and the substrate surface is hydrophilically reformed when the substrate is completely cleaned.
  • IPA isopropyl alcohol
  • the junction surface potential can be maintained at a level suitable for the surface potential of the photoactive layer. Further, in the modification, the formation of the polymer thin film on the first electrode is facilitated, and the quality of the thin film may be improved.
  • the pretreatment techniques for the first electrode include a) surface oxidation using a parallel plate discharge, b) a method of oxidizing the surface through ozone generated using UV ultraviolet radiation in vacuum, and c) oxygen generated by the plasma And a method of oxidizing using a radical.
  • One of the above methods can be selected depending on the state of the first electrode or the substrate. However, whichever method is used, it is preferable to prevent oxygen from escaping from the surface of the first electrode or the substrate and to suppress the residual of moisture and organic matter as much as possible. At this time, the substantial effect of the preprocessing can be maximized.
  • a method of oxidizing the surface through ozone generated using UV can be used.
  • the ITO substrate patterned after the ultrasonic cleaning is dried by baking on a hot plate, and then put into a chamber. Then, by the action of a UV lamp, ozone generated by reaction of oxygen gas with UV light The patterned ITO substrate can be cleaned.
  • the method of modifying the surface of the patterned ITO substrate in the present specification is not particularly limited, and any method may be used as long as it is a method of oxidizing the substrate.
  • the second electrode may be a metal having a small work function, but is not limited thereto.
  • metals such as magnesium, calcium, sodium, potassium, titanium, indium, yttrium, lithium, gadolinium, aluminum, silver, tin and lead or alloys thereof; Or a multilayer structure material such as LiF / Al, LiO 2 / Al, LiF / Fe, Al: Li, Al: BaF 2 and Al: BaF 2 : Ba.
  • the second electrode may be formed by depositing in a thermal evaporator having a vacuum degree of 5 x 10 < -7 > torr or less, but the method is not limited thereto.
  • the hole transporting layer and / or the electron transporting layer material efficiently transport electrons and holes separated from the photoactive layer to the electrode, and the material is not particularly limited.
  • the hole transport layer material may be PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly (styrenesulfonic acid)); Molybdenum oxide (MoO x ); Vanadium oxide (V 2 O 5 ); Nickel oxide (NiO); Or tungsten oxide (WO x ), but are not limited thereto.
  • PSS poly (3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly (styrenesulfonic acid)
  • Nickel oxide (NiO); Or tungsten oxide (WO x ) but are not limited thereto.
  • the electron transport layer material may be electron-extracting metal oxides, specifically a metal complex of 8-hydroxyquinoline; Complexes containing Alq 3 ; Metal complexes including Liq; LiF; Ca; Titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); Or cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), but the present invention is not limited thereto.
  • the photoactive layer may be formed by dissolving a photoactive material such as an electron donor and / or an electron acceptor in an organic solvent, and then applying the solution by spin coating, dip coating, screen printing, spray coating, doctor blade and brush painting. But is not limited to the method.
  • the prepared compound (J) was dissolved in tetrahydrofuran (THF) and the temperature was lowered to -78 ° C. 2.1 eq. Of n-butyllithium (n-BuLi) was added and stirred for 30 minutes. After further stirring at room temperature for 1 hour, the solution turned yellow. Again, the temperature was lowered to -78 < 0 > C, 2.1 equivalents of trimethyltin chloride was added, and the mixture was stirred for 12 hours while slowly raising the temperature to room temperature. After 12 hours, the color of the solution changed to ocher, and after work-up and recrystallization, a glossy yellow platelet-like solid Form J-1 was obtained.
  • THF tetrahydrofuran
  • 2,5-Dibromothiophene (9.68 g, 40.0 mmol) was dissolved in 200 ml of tetrahydrofuran (THF), and the temperature was lowered to -78 ° C. At this temperature, 1.6M n-BuLi (1.6M n-Butyllithium in hexane, 55ml, 88mmol) dissolved in hexane was slowly added and stirred for 1 hour. After that, 1M trimethyltinchloride in THF (100 ml, 100 mmol) dissolved in THF was added in one portion, the temperature was raised to room temperature, and the mixture was stirred for 12 hours.
  • THF tetrahydrofuran
  • Fig. 6 shows the NMR spectrum of the synthesized formula (K).
  • the compound of formula (L) was synthesized on the basis of JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART A: POLYMER CHEMISTRY 2011, 49, 4387-4397, 4389.
  • the physical properties of the polymer 1 are shown in Table 1 below.
  • UV edge energy bandgap on film
  • Mn number average molecular weight
  • Mw weight average molecular weight
  • PDI molecular weight distribution, Mw / Mn
  • UV edge energy bandgap on film
  • s UV max in solution
  • UV (f) UV max on film
  • HOMO energy level LUMO energy level 1.82 1.81 5.53 3.72
  • the prepared M was dissolved in tetrahydrofuran (THF), and the temperature was lowered to -78 ° C. 2.1 eq. Of n-butyllithium (n-BuLi) was added and stirred for 30 minutes. After further stirring at room temperature for 1 hour, the solution turned yellow. Again, the temperature was lowered to -78 < 0 > C, 2.1 equivalents of trimethyltin chloride was added, and the mixture was stirred for 12 hours while slowly raising the temperature to room temperature. After 12 hours, the color of the solution changed to ocher, and after work-up, recrystallization gave a glossy, platey yellow solid form of formula M-1.
  • THF tetrahydrofuran
  • the prepared compound (N) was dissolved in tetrahydrofuran (THF), and the temperature was lowered to -78 ° C. 2.1 eq. Of n-butyllithium (n-BuLi) was added and stirred for 30 minutes. After further stirring at room temperature for 1 hour, the solution turned yellow. Again, the temperature was lowered to -78 < 0 > C, 2.1 equivalents of trimethyltin chloride was added, and the mixture was stirred for 12 hours while slowly raising the temperature to room temperature. After 12 hours, the color of the solution changed to ocher, and after work-up, recrystallization gave a glossy, platey yellow solid form of formula N-1.
  • THF tetrahydrofuran
  • the prepared compound (O) was dissolved in tetrahydrofuran (THF) and the temperature was lowered to -78 ° C. 2.1 eq. Of n-butyllithium (n-BuLi) was added and stirred for 30 minutes. After further stirring at room temperature for 1 hour, the solution turned yellow. Again, the temperature was lowered to -78 < 0 > C, 2.1 equivalents of trimethyltin chloride was added, and the mixture was stirred for 12 hours while slowly raising the temperature to room temperature. After 12 hours, the color of the solution changed to ocher, and work-up followed by recrystallization gave a glossy, plate-like yellow solid form of formula O-1.
  • THF tetrahydrofuran
  • the monomers of the first unit to the third unit were put in a solvent of chlorobenzene together with Pd2 (dba) 3 and P (o-tolyl) 3 and polymerized in a microwave reactor to prepare Polymer 4.
  • Mn number average molecular weight
  • Mw weight average molecular weight
  • PDI molecular weight distribution, Mw / Mn
  • UV edge energy bandgap on film
  • the polymer 1 and The composite solution was prepared by dissolving the following ITIC (Solarmer Materials) in 2 ml of chlorobenzene (CB) at a ratio of 1: 2 to prepare a composite solution.
  • the concentration of the composite solution was adjusted to 2.0 wt%
  • the solar cell has the structure of ITO / PEDOT: PSS / photoactive layer / Al (anode / hole transport layer / photoactive layer / cathode).
  • the glass substrate coated with ITO 1.5 ⁇ 1.5 cm 2 bar type was subjected to ultrasonic cleaning using distilled water, acetone and 2-propanol, and the ITO surface was ozone-treated for 10 minutes.
  • PEDOT: PSS (AI4083) was spin-coated and annealed at 235 DEG C for 5 minutes.
  • Polymer 1 and the ITIC composite solution were spin-coated at 1,500 rpm for 10 seconds, and Al was deposited at a rate of 1 ⁇ / s using a thermal evaporator under a vacuum of 3 ⁇ 10 -8 torr to a thickness of 100 nm To thereby produce an organic solar cell.
  • Example 1-1 An organic solar cell was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that the composite solution of Polymer 1 and ITIC was spin-coated at 2,000 rpm for 10 seconds in Example 1-1.
  • Example 1-1 An organic solar cell was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that the composite solution of Polymer 1 and ITIC was spin-coated at 2,500 rpm for 10 seconds in Example 1-1.
  • An organic solar cell was prepared in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3, except that Polymer 2 synthesized in Preparation Example 2 was used instead of Polymer 1 in Examples 1-1 to 1-3.
  • Organic solar cells were prepared in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3 except that Polymer 3 synthesized in Preparation Example 3 was used instead of Polymer 1 in Examples 1-1 to 1-3.
  • Organic solar cells were prepared in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3 except that Polymer 4 synthesized in Preparation Example 4 was used instead of Polymer 1 in Examples 1-1 to 1-3.
  • An organic solar cell was prepared in the same manner as in Examples 1-1 to 1-3 except that Polymer 5 synthesized in Preparation Example 5 was used instead of Polymer 1 in Examples 1-1 to 1-3.
  • Example 1-1 The complex solution prepared by dissolving PTB7-Th and ITIC in a ratio of 1: 1.3 in 25 mg / ml of orthodichlorobenzene (ODCB) was used instead of the composite solution of Polymer 1 and ITIC in Example 1-1 , An organic solar cell was produced in the same manner as in Example 1-1.
  • ODCB orthodichlorobenzene
  • An organic solar cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the composite solution of PTB7-Th and ITIC was spin-coated at 1,200 rpm for 10 seconds in Comparative Example 1.
  • Polymer 1 and PCBM were dissolved in the ratio of 1: 1 instead of Polymer 1 and ITIC in Example 1-1 to prepare a complex solution, and the concentration was adjusted to 2.5 wt%.
  • the spin coating rate of the complex solution was controlled at 1,000 rpm , An organic solar cell was prepared in the same manner as in Example 1-1.
  • An organic solar cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 3-1 except that the spin coating rate of the composite solution in Comparative Example 3-1 was changed to 1.500 rpm.
  • An organic solar cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 3-1 except that the spin coating rate of the composite solution in Comparative Example 3-1 was changed to 2.000 rpm.
  • FIG. 2 is a graph showing the current density according to the voltages of the organic solar cells of Examples 1-1 to 1-3
  • FIG. 3 is a graph showing the current density according to the voltages of the organic solar cells of Comparative Examples 1 and 2.
  • Voc denotes an open-circuit voltage
  • Jsc denotes a short-circuit current
  • FF denotes a fill factor
  • PCE denotes an energy conversion efficiency.
  • the open-circuit voltage and the short-circuit current are the X-axis intercept and the Y-axis intercept at the fourth quadrant of the voltage-current density curve, respectively, and the higher the values, the higher the efficiency of the solar cell.
  • the fill factor is the width of the rectangle that can be drawn inside the curve divided by the product of the short-circuit current and the open-circuit voltage.
  • the energy conversion efficiency can be obtained by dividing these three values by the intensity of the irradiated light, and a higher value is preferable.
  • the organic solar cell including the polymer according to one embodiment of the present invention as an electron hole and the bifluorene-based compound as an electron acceptor is an organic solar cell including PTB7-Th of Comparative Examples 1 and 2 as an electron-
  • the open cell voltage, the device efficiency, and the energy conversion efficiency are superior to those of the organic solar cell including the cell and the fullerene-based compound of Comparative Examples 3-1 to 3-3 as an electron acceptor.
  • the energy conversion efficiency of the comparative example is measured to be less than 6%, while the energy conversion efficiency of the present embodiment is 6% or more, preferably 7% or more.

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Abstract

본 명세서는 제1 전극; 제2 전극; 및 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 주개는 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체를 포함하며, 상기 전자 받개는 비플러렌계 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지에 관한 것이다.

Description

유기 태양 전지
본 출원은 2017년 6월 23일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 10-2017-0079706의 출원일 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
유기 태양 전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나뉠 수 있는데, 종래 무기 태양 전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기 태양 전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요한데, 기존의 전자 받개(acceptor) 물질인 플러렌(fullerene)계 화합물은 가시광 영역에서 낮은 흡수율을 가지며 열적 안정성이 낮다는 등의 문제점이 있다.
이에 따라, 최근 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 전자 받개 물질로 사용한 유기 태양 전지의 예가 많이 발표되고 있으며, 이의 전력 변환 효율은 4% 내지 5.9% 정도까지 달성되었다. 다만, 비플러렌계 화합물은 현재 특정 고분자와의 조합에서만 좋은 효율을 보이고 있으므로, 비플러렌계 화합물과 좋은 효율을 나타낼 수 있는 신규 고분자를 찾는 것이 중요한 과제가 되었다.
본 명세서는 유기 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 주개는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 하기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체를 포함하며, 상기 전자 받개는 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000001
[화학식 2]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000002
[화학식 3]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000003
상기 화학식 1 내지 3에서,
X1 내지 X4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되고,
Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR", N, SiR", P 및 GeR"로 이루어진 군에서 선택되며,
R, R', R", Q1 내지 Q4, R1 내지 R4, R10 및 R11은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며,
R20 및 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴옥시기이고,
a 및 b는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 1 내지 3의 정수이고,
d 및 e는 각각 0 내지 3의 정수이며,
a, b, d 또는 e가 각각 2 이상인 경우, 2 이상의 괄호 내의 구조는 서로 동일하거나 상이하고,
A1 내지 A4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소, 불소 또는 염소이고, A1 내지 A4 중 적어도 하나는 불소 또는 염소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지는 전자 주개로 상기 중합체를 사용하고, 전자 받개로 상기 비플러렌계 화합물을 사용함으로써, 열적 안정성 및 전력 변환 효율이 우수하다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 중합체는 HOMO 에너지 준위가 높아 이를 광활성층의 전자 주개로 포함하는 상기 유기 태양 전지는 개방 전압 특성이 우수하다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따르는 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
도 2은 실시예 1-1 내지 1-3의 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 3는 비교예 1 및 2의 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 4는 제조예에서 합성된 화학식 J의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 5는 제조예에서 합성된 화학식 J-1의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 6은 제조예에서 합성된 화학식 K의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
[부호의 설명]
101: 애노드 (ITO)
102: 정공수송층(PEDOT:PSS)
103: 광활성층
104: 캐소드 (Al)
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에 있어서 '단위'란 중합체의 단량체에 포함되는 반복되는 구조로서, 단량체가 중합에 의하여 중합체 내에 결합된 구조를 의미한다.
본 명세서에 있어서 '단위를 포함'의 의미는 중합체 내의 주쇄에 포함된다는 의미이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 '상에' 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에 있어서, 에너지 준위는 에너지의 크기를 의미하는 것이다. 따라서, 진공준위로부터 마이너스(-) 방향으로 에너지 준위가 표시되는 경우에도, 에너지 준위는 해당 에너지 값의 절대값을 의미하는 것으로 해석된다. 예컨대, HOMO 에너지 준위란 진공준위로부터 최고 점유 분자 오비탈(highest occupied molecular orbital)까지의 거리를 의미한다. 또한, LUMO 에너지 준위란 진공준위로부터 최저 비점유 분자 오비탈(lowest unoccupied molecular orbital)까지의 거리를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고, 상기 전자 주개는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체를 포함하며, 상기 전자 받개는 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
유기 태양 전지의 광활성층에서는 전자 주개와 전자 받개가 빛을 흡수하여 엑시톤(exiton)이 형성되며, 생성된 엑시톤은 전자 주개와 전자 받개의 계면으로 이동하여 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 전자 받개를 따라, 정공은 전자 주개를 따라 각 전극으로 이동하여 전류가 생성된다. 이 때, 전자 주개와 전자 받개의 모폴로지(morphology)가 전기적으로 얼마나 잘 형성되는지 여부가 전류 생성에 결정적인 영향을 미치는데, 상기 중합체는 특히 비플러렌계 화합물과 모폴로지가 잘 형성되어, 결과적으로, 유기 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 '치환'이라는 용어는 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자가 다른 치환기로 바뀌는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정하지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 '치환 또는 비치환된' 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나 상기 예시된 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환기로 치환되거나, 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다. 예컨대, '2 이상의 치환기가 연결된 치환기'는 비페닐기일 수 있다. 즉, 비페닐기는 아릴기일 수도 있고, 2개의 페닐기가 연결된 치환기로 해석될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 할로겐기의 예로는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 50인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸-부틸, 1-에틸-부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 시클로펜틸메틸, 시클로헥실메틸, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸헥실, 4-메틸헥실 및 5-메틸헥실 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 구체적으로 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 3-메틸시클로펜틸, 2,3-디메틸시클로펜틸, 시클로헥실, 3-메틸시클로헥실, 4-메틸시클로헥실, 2,3-디메틸시클로헥실, 3,4,5-트리메틸시클로헥실, 4-tert-부틸시클로헥실, 시클로헵틸 및 시클로옥틸 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소프로폭시, i-프로필옥시, n-부톡시, 이소부톡시, tert-부톡시, sec-부톡시, n-펜틸옥시, 네오펜틸옥시, 이소펜틸옥시, n-헥실옥시, 3,3-디메틸부틸옥시, 2-에틸부틸옥시, n-옥틸옥시, n-노닐옥시, n-데실옥시, 벤질옥시 및 p-메틸벤질옥시 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 비닐, 1-프로페닐, 이소프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 1-펜테닐, 2-펜테닐, 3-펜테닐, 3-메틸-1-부테닐, 1,3-부타디에닐, 알릴, 1-페닐비닐-1-일, 2-페닐비닐-1-일, 2,2-디페닐비닐-1-일, 2-페닐-2-(나프틸-1-일)비닐-1-일, 2,2-비스(디페닐-1-일)비닐-1-일, 스틸베닐기 및 스티레닐기 등이 있으나 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 상기 아릴기가 단환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기 및 터페닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 상기 아릴기가 다환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나. 탄소수 10 내지 24인 것이 바람직하다. 구체적으로 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기 및 플루오레닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 플루오레닐기는 치환될 수 있으며, 인접한 치환기들이 서로 결합하여 고리를 형성할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴렌기는 아릴기에 결합 위치가 두 개 있는 것 즉, 2가기를 의미한다. 이들은 각각 2가기인 것을 제외하고는 전술한 아릴기의 설명이 적용될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 헤테로고리기는 탄소가 아닌 원자, 이종원자를 1 이상 포함하는 것으로서, 구체적으로 상기 이종 원자는 O, N, Se 및 S 등으로 이루어진 군에서 선택되는 원자를 1 이상 포함할 수 있다. 헤테로고리기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 피리다진기, 피라지닐기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린(phenanthroline)기, 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 티아디아졸릴기, 페노티아지닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴옥시기의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다. 구체적으로 아릴옥시기로는 페녹시, p-토릴옥시, m-토릴옥시, 3,5-디메틸-페녹시, 2,4,6-트리메틸페녹시, p-tert-부틸페녹시, 3-비페닐옥시, 4-비페닐옥시, 1-나프틸옥시, 2-나프틸옥시, 4-메틸-1-나프틸옥시, 5-메틸-2-나프틸옥시, 1-안트릴옥시, 2-안트릴옥시, 9-안트릴옥시, 1-페난트릴옥시, 3-페난트릴옥시 및 9-페난트릴옥시 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌(non-fullerene)계 화합물은 하기 화학식 A로 표시될 수 있다.
[화학식 A]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000004
상기 화학식 A에 있어서,
Ra 내지 Rf는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
La 내지 Ld는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 아릴렌기; 또는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기이며,
Ma 및 Mb는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
p 및 q는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이며,
p 또는 q가 각각 2인 경우, 괄호 내의 구조는 서로 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Ra 내지 Rd는 각각 알킬기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ra 내지 Rd는 각각 탄소수 1 내지 30의 알킬기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ra 내지 Rd는 각각 탄소수 1 내지 10의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Re 및 Rf는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 아릴렌기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 탄소수 6 내지 25의 아릴렌기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 페닐렌기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 2가의 헤테로고리기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 탄소수 2 내지 30인 2가의 헤테로고리기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 각각 탄소수 2 내지 10인 2가의 헤테로고리기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, La 내지 Ld는 2가의 티오펜기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 수소이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 각각 알킬기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 각각 탄소수 1 내지 10의 알킬기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 메틸기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 각각 할로겐기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, Ma 및 Mb는 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, p 및 q는 각각 0이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, p 및 q는 각각 1이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, p 및 q는 각각 2이다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 A로 표시되는 화합물은 하기 화학식 A-1 내지 A-5 중 어느 하나일 수 있다.
[화학식 A-1]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000005
[화학식 A-2]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000006
[화학식 A-3]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000007
[화학식 A-4]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000008
[화학식 A-5]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000009
본 명세서에서, 상기 Me는 메틸기를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌(non-fullerene)계 화합물은 플러렌계 화합물보다 열 안정성이 높다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 광활성층의 전자 받개로 포함하고, 상기 중합체를 광활성층의 전자 주개로 포함하는 유기 태양 전지는 열 안정성이 우수하고, 전력 변환 효율이 우수하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4 중 2개의 기는 각각 불소 또는 염소이며, 서로 벤젠고리의 대향하는 위치, 즉 파라 위치에 치환될 수 있다.이 경우, 상기 제1 단위의 불소 또는 염소는 제1 단위의 티오펜의 S 원자와 서로 상호 작용을 하여, 중합체의 평면성이 증가한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소, 불소 또는 염소이며, A1 내지 A4 중 적어도 하나는 불소 또는 염소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4 중 적어도 하나는 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4 중 2개의 기는 각각 불소 또는 염소이며, 상기 2개의 기는 벤젠고리에 대하여 서로 오쏘(ortho) 또는 파라(para) 위치에 존재할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 및 A4는 각각 불소 이고, A2 및 A3는 각각 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A2 및 A3 각각 불소이고, A1 및 A4는 각각 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 및 A2는 각각 불소이고, A3 및 A4는 각각 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1은 불소이고 A2 내지 A4는 각각 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 내지 A4는 각각 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 a는 1이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 b는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 은 수소이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R2는 수소이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R3는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R4는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1은 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R10은 수소이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R11은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 하기 화학식 2-1로 표시될 수 있다.
[화학식 2-1]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000010
상기 화학식 2-1에서,
R10 및 R11은 화학식 2에서 정의한 바와 동일하다.
이 경우에, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 화학식 1로 표시되는 제1 단위의 불소 또는 염소와 서로 상호 작용을 더욱 기대할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X2는 S이다.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 X3는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4는 S이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Y1는 N이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 Y2는 N이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 d는 0이다.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 d는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 e는 1이다.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 e는 0이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Q1은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Q2는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Q3는 수소이다.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 Q4는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에서, 화학식 3으로 표시되는 제3 단위의 R20 및 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴옥시기이다. 이 경우, R20 및 R21의 O 원자; 화학식 1로 표시되는 제1 단위의 불소 또는 염소; 및 화학식 2로 표시되는 제2 단위의 S 원자가 서로 상호 작용을 통하여, 분자간의 팩킹(packing)을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체를 포함하는 경우에는 필팩터(FF)의 증가를 유도할 수 있어, 높은 효율의 소자를 제공할 수 있다.
본 명세서에서 상호 작용이란, 화학 구조 또는 화학 구조를 구성하는 원자들이 서로 공유 결합 이외의 작용에 의하여 영향을 주고 받는 비공유 결합성 상호 작용을 하는 것을 의미하며, 예컨대, 칼코겐(chalcogen) 결합을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체는 단위 내 또는 이웃하여 있는 다른 단위와 비공유 결합성의 상호 작용을 통하여, 중합체의 백본(backbone)의 비틀림 각(torsion angle)을 최소화 시켜, 중합체의 평면성이 향상될 수 있다. 또한, 비공유 결합성 상호 작용은 파이-파이 스택킹(π-ð stacking)을 향상시켜, 폴라론(polaron)과 엑시톤(exiton)의 비편재화(delocalization)로 인하여, 전하 이동도가 향상되며, 팩킹(packing)이 용이한 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 상기 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 상기 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 상기 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 도데실옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 R21은 도데실옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R20 및 R21은 에틸헥실옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위는 하기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2 로 표시된다.
[화학식 3-1]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000011
[화학식 3-2]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000012
상기 화학식 3-1 및 화학식 3-2에서,
R20 및 R21은 화학식 3에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 4로 표시되는 단위를 포함한다.
[화학식 4]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000013
상기 화학식 4에서,
l은 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이며,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이고,
l+m = 1이며,
A는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고,
B는 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위이며,
C 및 C'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 3으로 표시되는 제 3 단위이고,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 4의 A는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고, a 및 b는 각각 독립적으로 1 내지 3의 정수, 바람직하게는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 4의 B는 상기 화학식 2-1로 표시되는 제2 단위이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 4의 C 및 C'는 상기 화학식 3-1로 표시되는 제3 단위이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 5-1 내지 5-4 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함한다.
[화학식 5-1]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000014
[화학식 5-2]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000015
[화학식 5-3]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000016
[화학식 5-4]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000017
상기 화학식 5-1 내지 5-4에서,
R22 내지 R25는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이며,
R26 내지 R31은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
A1 내지 A4는 화학식 1에서 정의한 바와 동일하며,
l은 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이고,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이며,
l+m = 1이며,
n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 알킬기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 탄소수 1 내지 15의 알킬기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 탄소수 1 내지 15의 알킬기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 도데실기이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, R22 내지 R25는 각각 에틸헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R26 내지 R31은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, A1 내지 A4는 각각 불소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 l은 0.5이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 m은 0.5이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 6-1 내지 6-5 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함한다.
[화학식 6-1]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000018
[화학식 6-2]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000019
[화학식 6-3]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000020
[화학식 6-4]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000021
[화학식 6-5]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000022
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 랜덤 중합체다. 또한, 랜덤 중합체의 경우에 용해도가 향상되어, 소자의 제조 공정상 시간 비용적으로 경제적인 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 4-(트리플루오로메틸)페닐(4-(trifluoromethyl)phenyl)기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 브로모-티오펜(bromo-thiophene)기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 말단기는 트라이플루오로-벤젠(trifluoro-benzene)기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체이며, 상기 전자 받개는 비플러렌계 화합물이다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개는 상기 화학식 5로 표시되는 단위를 포함하는 중합체이며, 상기 전자 받개는 상기 화학식 A-1로 표시되는 화합물이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개와 전자 받개의 질량비는 1:1 내지 1:4이다. 바람직하게는, 1:1.5 내지 1:2.5이며, 더욱 바람직하게는 1:1.8 내지 1:2.2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체의 수평균 분자량은 5,000 g/mol 내지 1,000,000 g/mol이 바람직하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체는 1 내지 10의 분자량 분포를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 중합체는 1 내지 3의 분자량 분포를 가진다.
분자량 분포는 낮을수록, 수평균 분자량이 커질수록 전기적 특성과 기계적 특성이 더 좋아진다.
또한, 일정 이상의 용해도를 가져서 용액도포법 적용이 유리하도록 하기 위해 수평균 분자량은 100,000 g/mol 이하인 것이 바람직하다.
상기 중합체는 각 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3 와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 제조될 수 있다.
본 명세서에 따른 중합체는 다단계 화학반응으로 제조할 수 있다. 알킬화 반응, 그리냐르(Grignard) 반응, 스즈끼(Suzuki) 커플링 반응 및 스틸(Stille) 커플링 반응 등을 통하여 모노머들을 제조한 후, 스틸 커플링 반응 등의 탄소-탄소 커플링 반응을 통하여 최종 중합체들을 제조할 수 있다. 도입하고자 하는 치환기가 보론산(boronic acid) 또는 보론산 에스터(boronic ester) 화합물인 경우에는 스즈키 커플링 반응을 통해 제조할 수 있고, 도입하고자 하는 치환기가 트리부틸틴(tributyltin) 또는 트리메틸틴(trimethyltin) 화합물인 경우에는 스틸 커플링 반응을 통해 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 제1 전극, 광활성층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 유기 태양 전지는 기판, 정공수송층 및/또는 전자수송층이 더 포함될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지가 외부 광원으로부터 광자를 받으면 전자 주개와 전자 받개 사이에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 정공은 전자 주개층을 통하여 애노드로 수송된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 부가적인 유기물층을 더 포함할 수 있다. 상기 유기 태양 전지는 여러 기능을 동시에 갖는 유기물을 사용하여 유기물층의 수를 감소시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 캐소드이고,상기 제2 전극은 애노드이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기 태양 전지는 캐소드, 광활성층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있고, 애노드, 광활성층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드, 정공수송층,광활성층, 전자수송층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 1은 애노드(101), 정공수송층(102), 광활성층(103) 및 캐소드(104)를 포함하는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 나타낸 도이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 노멀(Normal)구조이다. 상기 노멀구조에서는 기판, 제1 전극, 정공수송층, 광활성층을 포함하는 유기물층, 전자수송층 및 제2 전극의 순서로 적층될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 인버티드(Inverted) 구조이다. 상기 인버티드 구조에서는 기판, 제1 전극, 전자수송층, 광활성층을 포함하는 유기물층, 정공수송층 및 제2 전극의 순서로 적층될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 탠덤(tandem)구조이다. 이 경우 상기 유기 태양 전지는 2 층 이상의 광활성층을 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지는 광활성층이 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 버퍼층이 광활성층과 정공수송층 사이 또는 광활성층과 전자수송층 사이에 구비될 수 있다. 이때, 정공주입층이 애노드와 정공수송층 사이에 더 구비될 수 있다. 또한, 전자주입층이 캐소드와 전자수송층 사이에 더 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성한다.
벌크 헤테로 정션이란 광활성층에서 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 서로 섞여 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 첨가제를 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 첨가제의 분자량은 50 g/mol 내지 300 g/mol이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 첨가제의 끓는점은 30℃ 내지 300℃의 유기물이다.
본 명세서에서 유기물이란 탄소 원자를 적어도 1 이상 포함하는 물질을 의미한다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 첨가제는 1,8-다이이오도옥탄(DIO:1,8-diiodooctane), 1-클로로나프탈렌(1-CN:1-chloronaphthalene), 다이페닐에테르(DPE:diphenylether), 옥탄디티올(octane dithiol) 및 테트라브로모티오펜(tetrabromothiophene)으로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제 중에서 1 또는 2 종의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer) 구조이며, 상기 p형 유기물층은 상기 중합체를 포함한다.
본 명세서에서 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기 태양 전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다. 구체적으로 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PI(polyimide) 및 TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극의 재료는 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SnO2:Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 및 폴리(3-메틸싸이오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용할 수 있다.
상기 제1 전극을 기판 상에 형성하는 경우, 이는 세정, 수분제거 및 친수성 개질 과정을 거칠 수 있다.
예컨대, 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로필 알코올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음, 수분 제거를 위해 가열판에서 100℃ 내지 150℃에서 1분 내지 30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합 표면 전위를 광활성층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 개질 시 제1 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다.
제1 전극의 전 처리 기술로는 a) 평행 평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있다.
제1 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 제1 전극 또는 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이 때, 전 처리의 실질적인 효과를 극대화할 수 있다.
구체적인 예로서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용할 수 있다. 이 때, 초음파 세정 후 패터닝된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음, 챔버에 투입하고, UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV 광과 반응하여 발생하는 오존에 의하여 패터닝된 ITO 기판을 세정할 수 있다.
그러나, 본 명세서에 있어서의 패터닝된 ITO 기판의 표면 개질 방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
상기 제2 전극은 일함수가 작은 금속이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; 또는 LiF/Al, LiO2/Al, LiF/Fe, Al:Li, Al:BaF2, Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극은 5x10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 증착되어 형성될 수 있으나, 이 방법에만 한정되는 것은 아니다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 광활성층에서 분리된 전자와 정공을 전극으로 효율적으로 전달시키는 역할을 담당하며, 물질을 특별히 제한하지는 않는다.
상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)); 몰리브데늄 산화물(MoOx); 바나듐 산화물(V2O5); 니켈 산화물(NiO); 또는 텅스텐 산화물(WOx) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층 물질은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 8-히드록시퀴놀린의 금속착물; Alq3를 포함한 착물; Liq를 포함한 금속착물; LiF; Ca; 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 또는 세슘 카보네이트(Cs2CO3) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
광활성층은 전자공여체 및/또는 전자수용체와 같은 광활성 물질을 유기용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 및 브러쉬 페인팅 등의 방법으로 형성할 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지는 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
< 제조예 >
제조예 1. 중합체 1의 합성
(1) 화학식 J의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000023
두 개의 출발물질에 톨루엔을 넣고, 0.05 당량의 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)를 첨가한 후, 80℃에서 15시간 교반시키자 반응용액이 점점 검정색으로 변화하였다. 이를 워크업(Work up)하고, 황산 마그네슘(magnesium sulfate)로 건조한 후 재결정화하여 화학식 J(흰색의 파우더, 4.3g)를 얻었다.
합성된 화학식 J의 NMR 스펙트럼을 도 4에 나타내었다.
(2) 화학식 J-1(제1 단위)의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000024
제조된 화학식 J를 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 -78℃로 온도를 낮춘 후 n-부틸리튬(n-BuLi)을 2.1 당량 첨가하고 30분간 교반시켰다. 이 후 1시간 동안 실온에서 추가로 교반시키자 용액색이 노란색으로 변하였다. 다시 -78℃로 온도를 낮추고 2.1 당량의 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)를 첨가하고 천천히 실온으로 온도를 올리면서 12시간 동안 교반하였다. 12시간 후 황토색으로 용액의 색이 변하였고, 워크업(work up) 후 재결정화하자 하면 광택이 있는 판상의 노란색 고체 형태의 화학식 J-1을 얻을 수 있었다.
합성된 화학식 J-1의 NMR 스펙트럼을 도 5에 나타내었다.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000025
200ml의 테트라하이드로퓨란(THF)에 2,5-다이브로모티오펜(2,5-Dibromothiophene, 9.68 g, 40.0 mmol)을 넣고 녹인 뒤 -78℃까지 온도를 낮추었다. 이 온도에서 헥산(hexane)에 녹아있는 1.6M n-BuLi(1.6M n-Butyllithium in hexane, 55ml, 88mmol)을 천천히 넣고, 1시간 동안 교반하였다. 그 후 THF에 녹아있는 1M 트라이메틸틴클로라이드(1M Trimethyltinchloride in THF, 100ml, 100 mmol)를 한 번에 넣고 상온으로 온도를 높인 후 12시간 동안 교반하였다. 이 용액을 얼음에 부어 넣고, 다이에틸 에테르(Diethyl ether)로 3번 추출한 뒤, 물로 3번 씻어주고, 황산마그네슘(MgSO4 : Magnesium sulfate)로 잔여 물을 제거하였다. 남은 용액을 감압하에 용매를 제거하고 메탄올(Methanol)로 재결정화하여 하얀 고체를 얻었다.
수율: 73.1 %
도 6은 합성된 화학식 K의 NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
(4) 화학식 L(제3 단위)의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000026
상기 화학식 L의 화합물은 JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART A: POLYMER CHEMISTRY 2011, 49, 4387-4397, 4389를 기초로 합성하였다.
(5) 중합체 1의 합성
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 1을 제조하였다.
[중합체 1]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000027
상기 중합체 1의 물성은 하기 표 1과 같다.
Mn (수평균 분자량) Mw(중량평균분자량) PDI (분자량 분포, Mw/Mn) UVedge (필름 상의 에너지 밴드갭)
21,315 24,970 1.17 685.12
UV(s)(용액 상의 UVmax) UV(f)(필름 상의 UVmax) HOMO 에너지 준위 LUMO 에너지 준위
1.82 1.81 5.53 3.72
제조예 2. 중합체 2의 합성
(1) 화학식 M의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000028
두 개의 출발물질에 톨루엔을 넣고, 0.05 당량의 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)를 첨가한 후, 80℃에서 15시간 교반시키자 반응용액이 점점 검정색으로 변화하였다. 이를 워크업(Work up)하고, 황산 마그네슘(magnesium sulfate)로 건조한 후 재결정화하여 화학식 M(흰색의 파우더, 4.3g)를 얻었다.
(2) 화학식 M-1(제1 단위)의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000029
제조된 화학식 M을 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 -78℃로 온도를 낮춘 후 n-부틸리튬(n-BuLi)을 2.1 당량 첨가하고 30분간 교반시켰다. 이 후 1시간 동안 실온에서 추가로 교반시키자 용액색이 노란색으로 변하였다. 다시 -78℃로 온도를 낮추고 2.1 당량의 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)를 첨가하고 천천히 실온으로 온도를 올리면서 12시간 동안 교반하였다. 12시간 후 황토색으로 용액의 색이 변하였고, 워크업(work up) 후 재결정화하자 하면 광택이 있는 판상의 노란색 고체 형태의 화학식 M-1을 얻을 수 있었다.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성
상기 제조예 1의 (3)과 동일한 과정으로 화학식 K를 합성하였다.
(4) 화학식 L(제3 단위)의 합성
상기 제조예 1의 (4)와 동일한 과정으로 화학식 L을 합성하였다.
(5) 중합체 2의 합성
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 2을 제조하였다.
[중합체 2]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000030
상기 중합체 2의 물성은 하기 표 2와 같다.
제조예 3. 중합체 3의 합성
(1) 화학식 N의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000031
두 개의 출발물질에 톨루엔을 넣고, 0.05 당량의 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)를 첨가한 후, 80℃에서 15시간 교반시키자 반응용액이 점점 검정색으로 변화하였다. 이를 워크업(Work up)하고, 황산 마그네슘(magnesium sulfate)로 건조한 후 재결정화하여 화학식 N(흰색의 파우더, 4.3g)를 얻었다.
(2) 화학식 N-1(제1 단위)의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000032
제조된 화학식 N을 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 -78℃로 온도를 낮춘 후 n-부틸리튬(n-BuLi)을 2.1 당량 첨가하고 30분간 교반시켰다. 이 후 1시간 동안 실온에서 추가로 교반시키자 용액색이 노란색으로 변하였다. 다시 -78℃로 온도를 낮추고 2.1 당량의 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)를 첨가하고 천천히 실온으로 온도를 올리면서 12시간 동안 교반하였다. 12시간 후 황토색으로 용액의 색이 변하였고, 워크업(work up) 후 재결정화하자 하면 광택이 있는 판상의 노란색 고체 형태의 화학식 N-1을 얻을 수 있었다.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성
상기 제조예 1의 (3)과 동일한 과정으로 화학식 K를 합성하였다.
(4) 화학식 L(제3 단위)의 합성
상기 제조예 1의 (4)와 동일한 과정으로 화학식 L을 합성하였다.
(5) 중합체 3의 합성
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 3을 제조하였다.
[중합체 3]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000033
상기 중합체 3의 물성은 하기 표 2와 같다.
제조예 4. 중합체 4의 합성
(1) 화학식 O 의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000034
두 개의 출발물질에 톨루엔을 넣고, 0.05 당량의 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd(PPh3)4)를 첨가한 후, 80℃에서 15시간 교반시키자 반응용액이 점점 검정색으로 변화하였다. 이를 워크업(Work up)하고, 황산 마그네슘(magnesium sulfate)로 건조한 후 재결정화하여 화학식 O(흰색의 파우더, 4.3g)를 얻었다.
(2) 화학식 O-1(제1 단위)의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000035
제조된 화학식 O를 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 -78℃로 온도를 낮춘 후 n-부틸리튬(n-BuLi)을 2.1 당량 첨가하고 30분간 교반시켰다. 이 후 1시간 동안 실온에서 추가로 교반시키자 용액색이 노란색으로 변하였다. 다시 -78℃로 온도를 낮추고 2.1 당량의 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)를 첨가하고 천천히 실온으로 온도를 올리면서 12시간 동안 교반하였다. 12시간 후 황토색으로 용액의 색이 변하였고, 워크업(work up) 후 재결정화하자 하면 광택이 있는 판상의 노란색 고체 형태의 화학식 O-1을 얻을 수 있었다.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성
상기 제조예 1의 (3)과 동일한 과정으로 화학식 K를 합성하였다.
(4) 화학식 L(제3 단위)의 합성
상기 제조예 1의 (4)와 동일한 과정으로 화학식 L을 합성하였다.
(5) 중합체 4의 합성
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 4를 제조하였다.
[중합체 4]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000036
상기 중합체 4의 물성은 하기 표 2와 같다.
제조예 5. 중합체 5의 합성
(1) 화학식 J의 합성
상기 제조예 1의 (1)과 동일한 과정으로 화학식 J를 합성하였다.
(2) 화학식 J-1(제1 단위)의 합성
상기 제조예 1의 (2)와 동일한 과정으로 화학식 J-1을 합성하였다.
(3) 화학식 K(제2 단위)의 합성
상기 제조예 1의 (3)과 동일한 과정으로 화학식 K를 합성하였다.
(4) 화학식 P(제3 단위)의 합성
Figure PCTKR2018006834-appb-I000037
상기 화학식 P의 화합물은 Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 4(47), 18585-18597; 2016 기초로 합성하였다.
(5) 중합체 5의 합성
상기의 제1 단위 내지 제3 단위의 단량체를 클로로 벤젠을 용매로 하여, Pd2(dba)3 및 P(o-tolyl)3와 함께 넣고 마이크로웨이브 반응기로 중합하여 하기 중합체 5를 제조하였다.
[중합체 5]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000038
상기 중합체 5의 물성은 하기 표 2와 같다.
Mn (수평균 분자량) Mw (중량평균분자량) PDI (분자량 분포, Mw/Mn) UVedge (필름 상의 에너지 밴드갭)
중합체 2 23,000 31,000 1.348 680
중합체 3 21,000 26,000 1.238 678
중합체 4 22,400 27,800 1.24 688
중합체 5 20,500 24,700 1.205 681
<실시예 : 유기 태양 전지의 제조>
실시예 1-1.
상기 중합체 1과 하기 ITIC(Solarmer Materials 社)를 1:2의 비율로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB) 2ml에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였고, 이 때, 복합 용액의 농도는 2.0wt%로 조절하였으며, 유기 태양 전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al(애노드/정공수송층/광활성층/캐소드)의 구조로 하였다. ITO가 1.5 x 1.5 cm2의 바타입(bar type)으로 코팅된 유리 기판을 증류수, 아세톤 및 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45nm 두께로 PEDOT:PSS(AI4083)를 스핀 코팅하여 235℃에서 5분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 중합체 1 및 상기 ITIC 복합 용액을 1,500rpm으로 10초간 스핀코팅하여, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 100 nm 두께로 1 Å/s 속도로 Al을 증착하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
[ITIC]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000039
실시예 1-2.
상기 실시예 1-1에서 중합체 1 및 ITIC의 복합 용액을 2,000rpm으로 10초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 1-3.
상기 실시예 1-1에서 중합체 1 및 ITIC의 복합 용액을 2,500rpm으로 10초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 2-1 내지 2-3.
상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 각각 중합체 1 대신 상기 제조예 2에서 합성한 중합체 2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 3-1 내지 3-3.
상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 각각 중합체 1 대신 상기 제조예 3에서 합성한 중합체 3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 4-1 내지 4-3.
상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 각각 중합체 1 대신 상기 제조예 4에서 합성한 중합체 4를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실시예 5-1 내지 5-3.
상기 실시예 1-1 내지 1-3에서 각각 중합체 1 대신 상기 제조예 5에서 합성한 중합체 5를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
비교예 1.
상기 실시예 1-1에서 중합체 1 및 ITIC의 복합 용액 대신 하기 PTB7-Th와 상기 ITIC를 1:1.3의 비율로 오르쏘다이클로로벤젠(orthodichlorobenzene, ODCB) 25mg/ml에 녹여 제조한 복합 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
[PTB7-Th]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000040
비교예 2.
상기 비교예 1에서 PTB7-Th 및 ITIC의 복합 용액을 1,200rpm으로 10초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
비교예 3-1.
상기 실시예 1-1에서 중합체 1 및 ITIC 대신 중합체 1 및 PCBM을 1:1의 비율로 녹여 복합 용액을 제조한 후 농도를 2.5wt%로 조절한 것, 상기 복합 용액의 스핀 코팅 속도를 1,000rpm으로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
[PCBM]
Figure PCTKR2018006834-appb-I000041
비교예 3-2.
상기 비교예 3-1에서 복합 용액의 스핀 코팅 속도를 1.500rpm으로 변경한 것 외에는 상기 비교예 3-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
비교예 3-3.
상기 비교예 3-1에서 복합 용액의 스핀 코팅 속도를 2.000rpm으로 변경한 것 외에는 상기 비교예 3-1과 동일한 과정으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100mW/cm2 (AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 3에 그 결과를 나타내었다.
광활성층 증착속도(rpm) VOC(V) JSC (mA/cm2) FF PCE(%)
실시예 1-1 중합체 1: ITIC = 1:2 1,500 0.933 13.582 0.586 7.43
실시예 1-2 2,000 0.931 12.810 0.607 7.24
실시예 1-3 2,500 0.921 11.043 0.595 6.06
실시예 2-1 중합체 2: ITIC = 1:2 1,500 0.914 13.119 0.618 7.41
실시예 2-2 2,000 0.916 13.180 0.621 7.50
실시예 2-3 2,500 0.907 12.762 0.597 6.91
실시예 3-1 중합체 3: ITIC = 1:2 1,500 0.938 13.007 0.587 7.16
실시예 3-2 2,000 0.932 13.197 0.583 7.17
실시예 3-3 2,500 0.925 12.076 0.566 6.32
실시예 4-1 중합체 4: ITIC = 1:2 1,500 0.919 13.054 0.569 6.82
실시예 4-2 2,000 0.924 13.258 0.578 7.08
실시예 4-3 2,500 0.913 12.538 0.568 6.50
실시예 5-1 중합체 5: ITIC = 1:2 1,500 0.916 13.335 0.595 7.27
실시예 5-2 2,000 0.905 13.639 0.586 7.23
실시예 5-3 2,500 0.901 12.889 0.598 6.95
비교예 1 PTB7-Th : ITIC = 1:1.3 1,500 0.640 10.381 0.530 3.52
비교예 2 1,200 0.623 11.267 0.426 2.99
비교예 3-1 중합체 1 : PCBM = 1:1 1,000 0.869 9.361 0.608 4.95
비교예 3-2 1,500 0.876 9.872 0.651 5.63
비교예 3-3 2,000 0.876 9.050 0.661 5.24
도 2는 실시예 1-1 내지 1-3의 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이고, 도 3은 비교예 1 및 2의 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다. 상기 표 3에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축 절편 및 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양 전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 충전율(Fill factor)은 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
상기 표 3에서, 본 발명의 일 실시상태에 따른 중합체를 전자 주개로, 비플러렌계 화합물을 전자 받개로 포함하는 유기 태양 전지는 비교예 1 및 2의 PTB7-Th를 전자 주개로 포함하는 유기 태양 전지 및 비교예 3-1 내지 3-3의 플러렌계 화합물을 전자 받개로 포함하는 유기 태양 전지 보다 개방 전압이 높고, 소자 효율이 우수하며, 에너지 변환 효율이 우수한 것을 알 수 있다. 구체적으로, 본원 실시예의 에너지 변환 효율은 6% 이상, 바람직하게는 7% 이상 나타나는 반면, 비교예의 에너지 변환 효율은 6% 미만으로 측정된 것을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며,
    상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개를 포함하고,
    상기 전자 주개는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 단위; 하기 화학식 2로 표시되는 제2 단위; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위를 포함하는 중합체를 포함하며,
    상기 전자 받개는 비플러렌(non-fullerene)계 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000042
    [화학식 2]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000043
    [화학식 3]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000044
    상기 화학식 1 내지 3에서,
    X1 내지 X4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되고,
    Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR", N, SiR", P 및 GeR"로 이루어진 군에서 선택되며,
    R, R', R", Q1 내지 Q4, R1 내지 R4, R10 및 R11은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이며,
    R20 및 R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알콕시기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴옥시기이고,
    a 및 b는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 1 내지 3의 정수이고,
    d 및 e는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 0 내지 3의 정수이고,
    a, b, d 또는 e가 각각 2 이상인 경우, 2 이상의 괄호 내의 구조는 서로 동일하거나 상이하고,
    A1 내지 A4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소, 불소 또는 염소이고, 상기 A1 내지 A4 중 적어도 하나는 불소 또는 염소이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비플러렌(non-fullerene)계 화합물은 하기 화학식 A로 표시되는 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 A]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000045
    상기 화학식 A에서,
    Ra 내지 Rf는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
    La 내지 Ld는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 아릴렌기; 또는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기이며,
    Ma 및 Mb는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐기; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
    p 및 q는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이며,
    p 또는 q가 각각 2인 경우, 괄호 내의 구조는 서로 동일하다.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 화학식 A로 표시되는 화합물은 하기 화학식 A-1 내지 A-5 중 어느 하나인 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 A-1]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000046
    [화학식 A-2]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000047
    [화학식 A-3]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000048
    [화학식 A-4]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000049
    [화학식 A-5]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000050
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위는 하기 화학식 2-1로 표시되는 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 2-1]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000051
    상기 화학식 2-1에서,
    R10 및 R11은 화학식 2에서 정의한 바와 동일하다.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위는 하기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2 로 표시되는 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 3-1]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000052
    [화학식 3-2]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000053
    상기 화학식 3-1 및 화학식 3-2에서,
    R20 및 R21은 화학식 3에서 정의한 바와 동일하다.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 중합체는 하기 화학식 4로 표시되는 단위를 포함하는 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 4]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000054
    상기 화학식 4에서,
    l은 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이며,
    m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이고,
    l+m = 1이며,
    A는 상기 화학식 1로 표시되는 제1 단위이고,
    B는 상기 화학식 2로 표시되는 제2 단위이며,
    C 및 C'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 3으로 표시되는 제3 단위이고,
    n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 중합체는 하기 화학식 5-1 내지 5-4 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함하는 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 5-1]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000055
    [화학식 5-2]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000056
    [화학식 5-3]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000057
    [화학식 5-4]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000058
    상기 화학식 5-1 내지 5-4에서,
    R22 내지 R25는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이며,
    R26 내지 R31은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,
    A1 내지 A4는 화학식 1에서 정의한 바와 동일하며,
    l은 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이고,
    m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이며,
    l+m = 1이며,
    n은 단위의 반복수로서, 1 내지 10,000의 정수이다.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 중합체는 하기 화학식 6-1 내지 6-5 중 어느 하나로 표시되는 단위를 포함하는 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 6-1]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000059
    [화학식 6-2]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000060
    [화학식 6-3]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000061
    [화학식 6-4]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000062
    [화학식 6-5]
    Figure PCTKR2018006834-appb-I000063
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 주개와 상기 전자 받개의 질량비는 1:1 내지 1:4인 것인 유기 태양 전지.
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