KR102018291B1

KR102018291B1 - 올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기 태양전지

Info

Publication number: KR102018291B1
Application number: KR1020170067839A
Authority: KR
Inventors: 김진영; 이택호; 우한영; 응웬탄루안
Original assignee: 울산과학기술원; 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2019-09-05
Also published as: KR20180131172A

Abstract

본 발명은 올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기 태양전지에 관한 것이다. 구체적으로는, 전자 주개(electron-donor)와 전자 받개(electron-acceptor)를 하나의 구조에 갖는 올인원(all-in-one) 단분자 및 이를 포함하는 유기태양전지를 제공하고자 한다.

Description

올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기 태양전지{ALL IN ONE SINGLE MOLECULE AND SINGLE MOLECULAR ORGANIC SOLAR CELLS COMPRISING THE SAME}

본 발명은 올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기 태양전지에 관한 것이다. 구체적으로는 전자 주개(electron-donor)와 전자 받개(electron-acceptor)를 하나의 구조에 갖는 올인원(all-in-one) 단분자 및 이를 포함하는 유기태양전지를 제공하고자 한다.

유기 태양 전지(ORGANIC SOLAR CELLS, OSCs)는 용액 가공성, 경량성 및 유연성 때문에 대면적 및 박막 태양 패널을 제조할 수 있는 유력한 후보 중 하나이다. 광전지 재료 합성의 점진적인 발전과, 새로운 디바이스 구성, 모폴로지 최적화, 인터페이스 가공 등과 같은 디바이스 제조 방법을 통해 우수한 전력변환효율(power conversion efficiencies, PCEs)이 보고되고 있다. 삼원(ternary)(또는 다중) 블렌드 시스템 및 적층형(또는 다중접합) 디바이스 구조체는, 주로 우수한 성능을 갖는 유기 태양 전지를 제조하기 위하여 사용되며, 이것은 소자 구조가 점점 복잡해지고 하나의 디바이스에서 광활성층을 구성하는 광활성 재료의 수가 증가하게 되는 것을 의미한다. 또한, 플러렌 유도체 받개를 대체하기 위하여 신규한 비-플러렌계 전자받개(acceptor) 구조들이 도입되고 있다(S. Li, L. Ye, W. Zhao, S. Zhang, S. Mukherjee, H. Ade, J. Hou, Adv Mater 2016, 28, 9423; Y. Lin, J. Wang, Z. G. Zhang, H. Bai, Y. Li, D. Zhu, X. Zhan, Adv Mater 2015, 27, 1170. 참조).달리 말하면, OSCs의 전력변환효율(PCEs)이 증가함에 따라, 광활성층 막의 제조는 좀더 복합해지고, 배치-투-배치 변동 및 모폴로지 최적화와 같은 고려되는 변수들이 증가하고 있다.

한국공개특허 제2015-0048636호에서는 단분자 및 이를 포함하는 유기 태양 전지를 개시하고 있다. 상기 특허에서는 전자주개물질을 상기 단분자로 구성하고, 전자받개물질을 PCBM 등에서 선택하여 이들을 혼합하여 광활성층을 형성하고 있다. 하지만, 상기 특허에서는 전자주개물질과 전자받개물질을 혼합하는 구성만을 개시하고 있다.

몇몇 논문들은 “유기 이분자 화합물(organic dyad compound)" 광전지 디바이스를 개시하고 있다(S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima, Phys Chem Chem Phys 2012, 14, 16138; S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima, Chem Commun (Camb) 2011, 47, 6365; T. Nishizawa, H. K. Lim, K. Tajima, K. Hashimoto, Chem Commun (Camb) 2009, 2469; T. Nishizawa, K. Tajima, K. Hashimoto, J. Mater. Chem. 2007, 17, 2440; K. Narayanaswamy, A. Venkateswararao, P. Nagarjuna, S. Bishnoi, V. Gupta, S. Chand, S. P. Singh, Angew Chem Int Ed Engl 2016, 55, 12334). 그러나 상기 논문들은 디바이스의 합리적인 PCEs 및 외부 양자 효율(EQEs)을 달성하지 못했고, 또한, 2합 블렌드 디바이스와 대비한 이점들에 대한 조사를 충분히 실시하지 않았다.

본 발명자들은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 전자 주개(electron-donor)와 전자 받개(electron-acceptor)를 하나의 구조에 갖는 올인원(all-in-one) 단분자 및 이를 포함하는 유기태양전지를 제공하고자 한다.

상기한 과제는, [A-D-A] 구조를 갖는 유기 단분자로서, 상기 A는 PCBM 유래 화합물이고, 상기 D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 화합물이고, 상기 유기 단분자는 하기 구조식 1의 화합물인, 유기단분자에 의해 달성된다:

[구조식 1]

바람직하게는, 상기 A는 전자 받개이고, 상기 D는 전자 주개일 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 D:A의 몰비는 1:2일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기판 위에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되고 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기태양전지로서, 상기 광활성층은 [A-D-A] 구조를 갖는 유기 단분자를 포함하는 유기태양전지를 제공한다: 상기 A는 PCBM 유래 화합물이고, 상기 D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 화합물이고, 상기 유기 단분자는 하기 구조식 1의 화합물이다.

[구조식 1]

.

바람직하게는, 상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층, 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 유기물층은 전자 주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기태양전지는 제1 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 제2 전극으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 정공수송층의 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene doped with poly(styrenesulfonic acid), 몰리브덴 산화물(MoO_x), 바나듐 산화물(V₂O₅), 니켈산화물(NiO), 및 텅스텐 산화물(WO_x)로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다. 또한, 상기 전자수송층의 물질은 아연 산화물(ZnO), 티타늄산화물(TiO_x), LiF, 및 세슘 카보네이트(Cs₂CO₃)로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 전극은 크롬, 구리, 아연, 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 및 인듐아연 산화물(IZO)로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 제2 전극은 알루미늄, 은, 마그네슘, 구리, 주석, 리튬, 티타늄, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨 및 납으로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.

본 발명에 따른 단분자 유기 태양전지는 복잡한 처리 없이 단순하고 저비용으로 제조될 수 있고, 최대 2.44%의 전력변환효율(PCE) 및 최대 46%의 외부양자효율(EQE)를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 올인원 단분자를 이루는 물질 및 그 구조식(a)과, 각 물질들의 에너지 준위(b)를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 단분자(All-in-one) 유기태양전지와 BDTRH-OH:PCBM(blend) 유기태양전지의 (a) J-V 특성, (b) EQE 스펙트럼, (c) J_sc의 광 강도 의존성, (d) V_oc의 광 강도 의존성을 도시한 것이다.
도 3은 BDTRh-OH:PCBM(블렌드) 디바이스와 BDTRh-PCBM(올인원) 디바이스의 (a) 어둠에서의 J-V 특성 및 (b) 광전류 측정을 나타낸 것이다.
도 4는 (a) BDTRh-OH FET의 수송(Transfer) 특성, (b) BDTRh-OH:PCBM(블렌드) FET 및 BDTRh-PCBM(올인원) FET의 이극성(Ambipolar) 수송 특성을 나타낸 것이다. (c) 블렌드 FET의 이극성 출력 특성 및 (d) 올인원 FET의 이극성 출력특성을 나타냈다. (c) 및 (d)에서 빨강, 주황, 노랑, 녹색, 검청록색, 청색 및 보라색의 단계에 따라 V_gs가 증가했다.
도 5는 BDTRh-OH:PCBM(블렌드) 막과 BDTRh-PCBM(올인원) 막에 기초한 (a) 정공 전용(only) 디바이스 및 (b) 전자 전용(only) 디바이스의 J-V 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 (a) 본 발명에 따른 단분자(All-in-one) 막과 BDTRh-OH:PCBM(blend) 막의 Tauc 플롯, (b) 본 발명에 따른 단분자(All-in-one) 디바이스와 BDTRh-OH:PCBM(blend) 디바이스 사이의 CT 영역에서 EQE 스펙트럼을 도시한 것이다. 실선 커브(solid curve)는 수학식 1에 따른 것이다.
도 7은 BDTRh-OH, BDTRh-OH:PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM의 (a) 흡수 스펙트럼 및 (b) 광발광(photoluminescence)을 나타낸 것이다.
도 8은 (a) 2.17 eV 여기(excitation)에서 neat BDTRh-OH 막의 순간 흡수 스펙트럼(Transient absorption spectra, TAS)와, (b) 1.24 eV, 1.12 eV 및 1.03 eV EX 및 SE에서 neat BDTRh-OH 막의 동역학을 나타낸 것이다.
도 9는 서로 다른 시간 지연에서 (a) BDTRh-OH : PCBM과 (b) BDTRh-PCBM의 순간 흡수 스펙트럼(transient absorption spectra, TAS)을 나타내고, (c) BDTRh-OH : PCBM과, (d)　BDTRh-PCBM의 엑시톤 및 폴라론 동역학을 나타낸다.
도 10은 BDTRh-OH:PCBM 블렌드(a, c) 및 BDTRh-PCBM(b, d)에 대한 1.4 eV(폴라론 피크) 및 1.03 eV(엑시톤 피크)에서 검출되고 2.17 eV에서 여기 에너지를 갖는 강도 의존성 TAS 프로파일을 나타낸 것이다.
도 11은 블렌드 막 및 올인원 막의 표면 형태는 탭핑 원자힘 현미경(AFM) 사진으로 a, b는 AFM 형상 이미지이고, c, d는 상 이미지이다. a, c는 BDTRh-OH : PCBM(Blend) 막이고, b, d는 BDTRh-OH : PCBM(Blend) 막이다.
도 12는 (a) BDTRh-OH(코어) 막, (b) BDTRh-OH : PCBM(Blend) 막 및 (c) BDTRh-PCBM(All-in-one) 막의 2D GIWAXS 이미지이고, (d)는 평면 내(in plane)와 (e) 평면 외(out-of-plane)이다.

본 발명은 올인원 단분자 및 이를 포함하는 단분자 유기태양전지에 관한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명의 올인원 단분자는 [A-D-A] 구조를 갖고 하기 구조식 1의 화합물이다.

[구조식 1]

상기에서 A는 플러렌 유도체인 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid-methylester)이고, D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 BDTRH로서, 하기 구조식 2를 갖는다.

[구조식 2]

도 1은 본 발명에 따른 올인원 단분자를 이루는 물질 및 단분자의 구조식(a)과, 각 물질들의 에너지 준위(b)를 도시한 것이다.

도 1의 (a) 및 상기 구조식 1을 보면, 본 발명에 따른 올인원 단분자(이하 ‘BDTRh-PCBM’이라 한다)는 BDTRh-OH 유래 전자 주개 코어와 PCBM 유래 2개의 전자 받개 윙들로 이루어진다. 이 BDTRh-PCBM을 BDTRh-OH와 비교하면, 더 깊은 최고 점유 분자 오비탈(HOMO) 에너지 레벨을 갖고(-5.15 eV → -5.32 eV), 가장 낮은 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지 레벨은 양자가 모두 -3.55 eV로 동일하다(도 1(b)). 이로 인해 BDTRh-PCBM의 밴드갭 에너지가 BDTRh-OH의 밴드갭 에너지 보다 다소 크다. 이러한 밴드갭 에너지 차이를 아래 표 1에 나타냈다.

물질	HOMO [eV]	LUMO [eV]	E_g [eV]
BDTRh-OH	-5.15	-3.55	1.6
BDTRh-PCBM	-5.32	-3.55	1.77

본 발명의 올인원 단분자는 아래 반응식 1과 같이 BDTRh-OH와 PCBM을 합성하여 제조할 수 있다.

[반응식 1]

구체적으로는 화합물 (1) 및 화합물 (2)를 반응시켜 BDTRh-OH를 합성하고, 이를 화합물(3)([6,6]-phenyl-C61-butyric acid chloride)과 반응시켜 BDTRh-PCBM을 합성할 수 있다.

화합물 (1)과 (2)는 이전에 보고되었던 참고문헌들에 기재된 방법으로 합성하였다(Ailing Tang, Chuanlang Zhan, and Jiannian Yao, Chem . Mater. 2015, 27, 4719-4730; Christoph Nitsche, Verena N. Schreier, Mira A. M. Behnam, Anil Kumar, Ralf Bartenschlager, and Christian D. Klein, J. Med. Chem., 2013, 56 (21), pp 8389840 ; Jiaoyan Zhou, Xiangjian Wan, Yongsheng Liu, Yi Zuo, Zhi Li, Guangrui He, Guankui Long, Wang Ni, Chenxi Li, Xuncheng Su, and Yongsheng Chen. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (39), pp 1634516351)

PCBM의 유도체인 화합물 (3)은 상업적으로 구입한 PCBM을 반응시켜 합성하였다. 화합물 3의 합성은 참고문헌(Weixiang Jiao, Di Ma, Menglan Lv, Weiwei Chen, Haiqiao Wang, Jin Zhu, Ming Lei and Xiwen Chen, J. Mater. Chem. A 2014, 2 (35), 14720-14728;)에 따라 진행하였다.

바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명은 상기 올인원 단분자를 포함하는 유기태양전지를 제공한다. 상기 유기태양전지는 기판 위에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되고 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며, 상기 광활성층은 상기 올인원 단분자를 포함한다. 상기 올인원 단분자는 하나의 분자 구조 내에 전자 주개와 전자 받개를 모두 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 기판은 투명성, 표면 평활성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으며, 유기태양전지에 통상적으로 사용되는 기판이라면, 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로는 유리 또는 PET(polyethylene terephtalate), PEN(polyethylene naphthalate), 폴리프로필렌, 폴리이미드, TAC(triacetyl cellulose) 등이 있다.

상기 제1 전극은 애노드 전극으로서 투명하고 전도성이 우수한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 크롬, 구리, 아연 등과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO) 같은 금속산화물을 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 제1 전극의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으며, 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅법을 사용하여 기판의 일면에 도포되거나 막(필름) 형태로 코팅될 수 있다.

상기 제2 전극은 캐소드 전극으로서, 예를 들면, 알루미늄, 은, 마그네슘, 구리, 주석, 리튬, 티타늄, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층, 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함할 수 있다. 또는 상기 유기물층은 전자 주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시형태에 따르면, 상기 유기태양전지는 제1 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 제2 전극으로 이루어질 수 있다.

상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene doped with poly(styrenesulfonic acid), 몰리브덴 산화물(MoO_x), 바나듐 산화물(V₂O₅), 니켈산화물(NiO), 및 텅스텐 산화물(WO_x) 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

상기 전자수송층 물질은 전자추출 금속 산화물이 될 수 있으며, 바람직하게는 아연 산화물(ZnO), 티타늄산화물(TiO_x), LiF, 및 세슘 카보네이트(Cs₂CO₃) 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

상기 광활성층은 본 발명에 따른 올인원 단분자를 포함한다(BDTRh-PCBM).

이하에서는 제조예 및 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

제조예 1: BDTRh -OH 합성

화합물 (1)(0.5 g, 0.3 mmol)을 건조 클로로포름(10 mL)에 용해시킨 후, 질소 분위기에서 트리에틸아민(triethylamine)을 몇 방울 떨어뜨린다. 화합물 (2)(0.3 g, 1.3 mmol)를 첨가한 후, 12시간 동안 열을 가해 환류시켜 반응을 진행한다. 반응이 끝난 후, 혼합물은 상온으로 온도를 낮춰 메탄올에 침전시킨다. 침전된 고체는 메탄올을 이용하여 씻어준 후, 실리카 겔 칼럼 크로마토그래피(silica gel column chromatography)를 이용하여 정제한다(용매: CH₂Cl₂/MeOH = 98/2, v/v). 정제 후 얻어진 고체는 검정색이며, 94%의 수득률을 가진다. BDTRh-OH (0.6 g, 94%) ¹HNMR(500 MHz, CDCl₃):δ (ppm) 7.76 (s, 2H), 7.60 (s, 2H), 7.34 (d, 2H), 7.21 (m, 4H), 7.11 (m, 4H), 7.67 (s, 2H ), 4.12 (t, 4H), 3.67 (t, 4H), 2.94 (t, 4H), 2.82 (t, 4H), 2.77 (t, 4H), 1.78-0.85 (m, 106H); ¹³CNMR(225 MHz, CDCl₃):δ (ppm) 192.2, 167.5, 145.9, 140.9, 140.8, 139.6, 138.6, 137.6, 137.3, 137.2, 136.8, 135.5, 135.0, 134.6, 130.4, 128.3, 127.8, 127.1, 126.0, 125.5, 124.9, 123.2, 120.3, 119.1, 62.8, 44.6, 41.5, 37.1, 34.4, 32.7, 32.5, 31.9, 31.8, 30.4, 30.2, 30.0, 29.7, 29.6, 29.5, 29.4, 29.3, 29.2, 29.0, 27.1, 26.9, 26.4, 25.8, 25.2, 23.1, 22.7, 22.6, 19.7, 14.1, 11.0. HRMS (MALDI): Calcd for C₁₁0H₁₄₄N₂O₄S₁₄, m/z (M⁺)= 2004.7216; Found: 2004.7242.

제조예 2: BDTRh - PCBM의 합성

제조예 1에서 합성된 BDTRh(0.15g, 0.07 mmol)와 화합물 (3)(0.17g, 0.18 mmol)을 디클로로메탄(Dichloromethane) 10ml에 용해시킨 후 12시간 동안 열을 가하여 환류시킨다. 혼합물의 온도를 상온으로 낮춘 후, 용매를 제거하여 메탄올에 침전시킨다. 필터 후 얻은 고체는 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피(silica gel column chromatography)를 이용하여 정제한다(용매: CH₂Cl₂). 정제 후 얻어진 고체는 검정색이며, 42%의 수득률을 가진다. BDTRh-PCBM (0.1 g, 42%) ¹HNMR(500 MHz, CDCl₃) : δ (ppm) 7.94 (m, 4H), 7.74 (br, 2H), 7.62 (br, 2H), 7.56 (m, 4H), 7.50 (m, 2H), 7.35 (br, 2H), 7.21 (br, 4H), 7.12 (br, 4H), 6.97 (br, 2H), 4.08 (br, 8H), 2.92 (br, 8H), 2.79 (br, 8H), 2.53 (br, 4H), 2.21 (br, 4H), 1.80-0.80 (m, 126H); ¹³C NMR (225 MHz, CDCl₃):δ (ppm) 192.1, 173.1, 167.4, 148.8, 147.8, 146.0, 145.8, 145.12, 145.1, 145.0, 144.9, 144.7, 144.5, 144.4, 144.3, 143.9, 143.7, 143.1, 143.0, 142.9, 142.8, 142.2, 142.1, 142.0, 140.9, 140.7, 139.6, 138.0, 137.6, 137.5, 137.4, 136.7, 135.6, 135.2, 134.7, 132.1, 130.4, 128.4, 128.2, 127.8, 127.3, 126.2, 125.5, 125.0, 123.3, 120.4, 119.2, 79.8, 64.5, 51.8, 44.54, 41.5, 34.4, 34.2, 33.6, 32.5, 31.9, 31.8, 30.4, 30.3, 29.7, 29.6, 29.5, 29.4, 29.3, 29.2, 28.9, 28.4, 26.9, 26.3, 25.8, 25.6, 23.1, 22.7, 22.4, 14.3, 14.1, 11.0. HRMS (MALDI): Calcd for C₂₅₂H₁₆₄N₂O₆S₁₄, m/z (M⁺)= 3760.8679; Found: 3760.8632.

실시예 1: ITO/PEDOT:PSS/광활성층/ZnO/Al 디바이스 제조

ITO 기판을 증류수, 아세톤 및 이소프로판올을 이용하여 초음파로 순차적으로 세정하였다. PEDOT:PSS를 ITO 기판에 스핀 코팅하고 140℃에서 10분 동안 어닐링처리 하였다. BDTRh-OH:PCBM(1.1:1, 혼합중량비) 및 BDTRh-PCBM을 각각 클로로벤젠에 혼합하였다(15 mg/ml). 상기 1.1:1의 혼합중량비는 BDTRh-PCBM의 주개 및 받개의 1:2 몰비로부터 계산된 것이다. N₂ 충전된 글러브 박스에서 PEDOT:PSS 층의 상부에 광활성층을 스핀-주조했다. ZnO 나노입자들을 문헌(W. J. E. Beek, M. M. Wienk, M. Kemerink, X. Yang, R. A. J. Janssen, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 9505)에 기술된 방법으로 합성하였고 메탄올에 분산시켰다. N₂ 충전된 글러브 박스에서 광활성층의 상부에 ZnO 용액을 스핀 코팅시켰다. 연속해서, 디바이스는 진공(< 10⁶Torr) 하에서 펌핑하였고, Al(100 nm)을 역 증발에 의해 증착시켰다. Al 전극의 면적은 13.0 mm² 이였다.

이렇게 제조된 유기태양전지의 측정 결과는, 해당 도면과 표에서, 광활성층이 BDTRh-OH:PCBM 블렌드인 경우에는 블렌드(Blend) 디바이스로, 광활성층이 BDTRh-PCBM인 경우에는 올인원(All-in-one) 디바이스로 표현하였다.

실험예 : 측정방법

본 발명에서 아래의 측정은 태양 광 시뮬레이터에서 시료로 빛을 안내하는 고품질의 광섬유를 사용하는 글러브 박스 내에서 측정을 수행했다. Keithley 2635A 소스 측정 장치로 J-V 특성을 수집했다. 100 mW/cm²의 AM 1.5G 조도 하에서 광전지 특성 측정을 위해 얇은 금속으로 만들어진 개구부(13.0 mm²)가 부착되었다. EQE 측정은 주위 조건에서 제논 램프의 단색광(monochromatic light)을 사용하는 PV 측정 QE 시스템을 사용하여 수행되었다. 단색광을 100 Hz에서 절단하고, 강도는 락인 증폭기 (lock-in-amp)을 사용하여 표준 Si 포토 다이오드에 대해 측정했다.

실시예 1에서 제조된 2개의 유기태양전지의 광전지 파라미터는 아래 표 2에 나타내었다.

광활성층	J _SC [mA cm^-2]	V _OC [V]	FF	PCE [%]
Blend	5.20	0.86	0.52	2.31
All-in-one	7.02	0.97	0.36	2.44

실시예 1에서는 전자수송층으로 ZnO를 사용하였는데, ZnO 층은 본 발명의 올인원 단분자 유기태양전지의 단락회로 전류밀도(J _SC)및 Fill-Factor(FF)를 동시에 증가시키는 전자수송층으로 알려져 있다.

올인원 단분자로 이루어진 광활성층의 제조 조건을 최적화하기 위하여, 본 발명자들은 종래 알려져 있는 가공 첨가제, 용매 증류 어닐링, 및 열적 어닐링과 같은 몇몇 처리들을 시도하였다. 종래의 이들 처리들은 주개 도메인과 받개 도메인의 나노 크기의 모폴로지를 제어하기 위한 것이다. 본 발명의 올인원 단분자는 주개와 받개가 분자 구조로서 물리적으로 연결되어 있기 때문에 상기한 종래 처리들이 본 발명의 디바이스에서는 적용될 수 없다. 따라서, 본 발명의 단분자 유기태양전지는 유기 단분자로 이루어진 광활성층에 대해 어떠한 처리도 없이 제조되었다. 아래 표 3은 광활성층 무처리 디바이스와 종래 방법으로 광활성층을 처리한 디바이스들의 광전지 특성을 나타낸 것이다.

아래 표 3에서, 0.4 vol% DIO는 용액에 첨가제를 추가하여 모폴로지를 조절하는 것이고, CF vapor annealing은 필름에 용매 증기를 가하여 모폴로지를 조절하는 것이고, 80℃ thermal annealing은 필름에 열을 가하여 모폴로지를 조절하는 것이다.

광활성층 처리	J _SC [mA cm^-2]	V _OC [V]	FF	PCE [%]
무처리(w/o)	7.02	0.97	0.36	2.44
0.4 vol% DIO	3.92	0.27	0.30	0.32
CF vapor annealing	7.19	0.83	0.32	1.91
80℃ thermal annealing	6.88	0.96	0.35	2.31

즉, 본 발명에서 올인원 단분자의 디자인은 유기 단분자를 광활성층으로 포함하는 유기태양전지에서 우수한 성능을 달성하는데 매우 중요하다. 본 발명에 따른 유기태양전지는 최대 2.44%의 PCE를 갖고, 상기 블렌드 유기태양전지와 비교하여 높은 J_sc 및 V_oc(개방회로전압)을 갖는다. 이러한 데이터는 현재 보고된 유기태양전지의 PCE와 비교하여 매우 높은 값이다. 아래 표 4는 종래 문헌들에 보고된 유기태양전지들의 광전지 특성과 본 발명에 따른 유기태양전지의 광전지 특성을 비교한 것이다.

문헌명	J _SC [mA cm^-2]	V _OC [V]	FF	PCE [%]	EQE (Max.) [%]
J. Mater. Chem., 2007, 17, 2440	0.93	0.70	0.23	0.15	31 (@440nm)
Chem. Commun., 2009, 2469	3.3	0.88	0.44	1.28	40 (@440nm)
Chem. Commun., 2011, 47, 6365	4.79	0.51	0.46	1.11	27 (@650nm)
Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 16138	4.55	0.91	0.46	1.92	45 (@450nm)
Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 12334	6.708	0.663	0.488	2.167	38 (@670nm)
실시예 1	7.02	0.965	0.362	2.44	46 (@550nm)

흥미롭게도, 상기 실시예 1에서 제조된 2개의 디바이스들은 기본적으로 동일한 광전 물질을 갖는데도 불구하고, 본 발명의 올인원 디바이스의 V_oc는 블렌드 디바이스의 Voc와 비교하여 약 0.1 V 증가하였다. 블렌드 디바이스와 본 발명의 올인원 디바이스의 외부 양자 효율(EQE) 스펙트럼은 각각 약 708 nm 및 약 697 nm의 오프셋을 갖는 박막 필름의 흡수 스펙트럼을 따르고(도 2b 및 도 2b의 삽입도), 이것은 BDTRh-OH의 밴드갭보다 더 넓은 BDTRh-PCBM의 밴드갭과 일치한다(도 1b). EQE 스펙트럼에 기초하여 계산된 J_sc는 블렌드 디바이스와 본 발명의 올인원 디바이스에서 각각 5.20 mA cm^-2 및 6.18 mA cm^-2이다. 올인원 디바이스의 최대 EQE는 420 nm에서 46%이고, 이것은 보고된 단분자 OSCs의 EQE에서 최대 EQE이다(표 4).

또한, 블렌드 디바이스 및 본 발명의 올인원 디바이스에서 하전 수송 재결합(charge carrier recombination)을 조사하기 위해 J_sc 및 V_oc의 광 세기 의존성이 측정되었다(도 2c 및 도 2d). 올인원 디바이스에서 이(bi)분자 재결합은 블렌드 디바이스에 대한 기울기(0.9078)와 비교하여 광 세기 대비 J_sc의 로그-로그 플롯(log-log plot)에서 unity에 더 인접한 기울기로 억제된다(0.9436). 광 세기 대비 V_oc의 반 대수 플롯(Semi-logarithmic plot)은 올인원 디바이스의 기울기가 블렌드 디바이스의 기울기보다 kT/q에 더 가깝다는 것을 보여준다. 그것은 트랩-보조 재결합과 같은 전하 재결합이 억제된다는 것을 의미한다. 올인원 단분자 구조는 광활성층에서 잘 분포된 주개-받개(D/A) 인터페이스를 제공할 수 있다. 이것은 주개-받개(D/A) 인터페이스에서 엑시톤 분리를 용이하게 할 수 있으며, 본 발명의 디바이스 결과(표 1)와 같이 디바이스의 전하 재결합을 줄임으로써 올인원 디바이스에서 J_sc를 개선하는 데 도움이 된다.

블렌드 디바이스의 FF와 비교하여 올인원 디바이스의 낮은 FF는 어둠에서의 J-V 특성의 측정 및 광전류(J_ph) 대(versus) 유효 전압(V_eff)로부터 추론할 수 있다(도 3). 올인원 디바이스의 역 바이어스 전압에서의 누설 전류는 블렌드 디바이스의 누설 전류보다 약간 높지만, 올인원 디바이스의 정류율(rectification ratio)은 블렌드 디바이스의 정류율보다 낮다. J_ph 대 V_eff 플롯은 두 디바이스 모두에서 포화되지 않았고, 올인원 디바이스의 플롯에서 안정기 영역(plateau region)은 혼합 디바이스의 플롯과 비교하여 V_eff가 더 높게 나타났다. 즉, 전극으로의 전하 수집 및 추출은 블렌드 디바이스에 비해 올인원(all-in-one) 디바이스에서 어려움이 있다.

블렌드 막 및 올인원 막의 전하 캐리어 수송 특성을 조사하기 위해, 유기 전계 효과 트랜지스터(OFET)를 제작하였다(도 4). OFET 다바이스는 상부 접촉 및 하부 게이트 구조로 제작되었다. 고농도로 도핑된 n 형 Si 기판을 게이트 전극으로 사용하고, 유전체층으로 열적 성장 이산화 규소(SiO₂) 층을 사용했다. SiO₂/Si 기판을 아세톤 및 이소프로판올로 순차적으로 세정하고, 100 ℃의 오븐에서 1 시간 동안 건조시켰다. 건조 후, 기판을 N₂로 충진 된 글로브 박스 내로 옮겼다. BDTRh-OH, BDTRh-OH : PCBM 및 BDTRh-PCBM 층을 2000 rpm에서 용액(CB에서 15 mg/mL)으로부터 SiO₂층 위에 스핀-주조했다. 소스 및 드레인 전극으로서 Ag(70nm)를 진공 (약 10^-6 Torr)하에 열적으로 증발시켰다. 소스-드레인 접촉의 깍지형 구조(interdigitated structure)는 50 ㎛의 채널 길이(L)와 2,950 ㎛의 채널 폭(W)을 결정 하였다. Keithley 반도체 매개 변수 분석기(Keithley 4200-SCS)를 사용하여 전기적 특성을 질소 하에서 측정했다. 이동도(μ)는 포화 영역에서 다음 방정식을 사용하여 결정된다. Ci는 SiO₂ 유전체(Ci = 15nF/cm²)의 단위 면적당 정전 용량이고, I_ds는 드레인 - 소스 전류이고, V_gs는 게이트 전압이며, Ids는 (WCi/2L) × μ × (Vgs-VT) V_T는 임계 전압이다.

도 4에서 (a)는 초기 BDTRh-OH(코어) OFET의 전송 특성을 나타내며 (b)는 블렌드 OFET 및 올인원 OFET의 양극성 전송 특성을 보여준다.

코어 및 블렌드의 홀 이동도(μ_h)는 각각 11.5 x 10^-4 cm² V^-1 s^-1 및 9.55 x 10^-5cm²V^-1s^-1로 계산되었지만, 올인원의 홀 이동도는 1.03 × 10^-6cm²V^-1s^-1이다. 올인원 OFET의 출력 특성은 또한 블렌드 OFET의 출력 특성과 비교하여 악화되었다(도 4의 (c) 및 (d)). 이는 올인원(all-in-one) 단분자의 코어 부분이 블렌드 막에 비해 막에서 포장되거나 잘 배열되기 어렵다는 것을 나타낸다. 원자 힘 현미경(AFM) 및 방목 입사각 광각 X-선 산란(GIWAXS)에 의한 필름 형태학 연구는 이러한 주장을 뒷받침한다.

공간 전하 제한 전류(SCLC)는 수직 방향의 전하 캐리어 이동도를 조사하기 위해 광전지 디바이스 특성과 직접 관련되어 측정되었다(도 5). 광활성 층이 광전지 디바이스와 동일한 제조 조건으로 홀 전용(ITO/PEDOT:PSS/광 활성층/Au) 및 전자 전용(불소 첨가 산화 주석(FTO)/광활성 층/Al) 디바이스가 제조되었다. 측정의 정확성을 보장하기 위해 전극의 직렬 저항(V _SR ) 및 내장 전위(V _bi )로 인한 전위 변화가 보정인자로 고려되었다.

올인원 막(~ 10^-6cm²V^-1s^-1)의 계산된 μ _h 는 블렌드 막(~ 10^-7cm²V^-1s^-1)보다 한 차수 더 높지만, 블렌드 막 및 올인원 막의 전자이동도는 약 10^-6cm²V^-1s^-1로 나타난다(표 5).

샘플	μ_h [cm²s^-1V^-1]	μ_e [cm²s^-1V^-1]	μ_e/μ_h
블렌드	1.92´10^-7	2.65´10^-6	13.8
올인원	1.01´10^-6	2.72´10^-6	2.69

블렌드 막과 올인원 막의 전자-정공 이동도의 비는 각각 13.8과 2.69로, 단분자 유기태양전지는 2분자 블렌드 유기태양전지보다 균형 잡힌 전하 캐리어 이동도를 나타낸다. 이는 블렌드 디바이스에 비해 단분자 디바이스의 높은 J _sc 를 지지하며 특정 D/A 배열은 홀 및 전자 전하 캐리어 이동도의 균형을 유지하는 이점을 가질 수 있다.

이하에서 이에 대해 자세히 설명한다.

올인원 디바이스의 V _oc 개선을 이해하기 위해, 블렌드 시스템 및 올인원 시스템의 D/A 분자간 전하 이동(CT) 상태 에너지를 조사했다. 수학식 1을 사용하여 CT 영역 및 CT 대역에서 EQE 스펙트럼을 도 6(b)에 나타내었다.

상기 식에서, E는 광자 에너지, k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도이다. 피팅 파라미터(fitting parameter) f는 상태 수에 비례하는 프리 팩터이고, E_CT는 CT 상태의 CT 여기 상태 에너지에 대한 CT 컴플렉스 기저 상태의 에너지 차이이며, λ는 재구성 에너지 용어(λ₀)를 포함하는 CT 흡수 밴드 폭과 관련이 있다(W. Zhao, D. Qian, S. Zhang, S. Li, O. Inganas, F. Gao, J. Hou, Adv Mater 2016, 28, 4734; K. R. Graham, C. Cabanetos, J. P. Jahnke, M. N. Idso, A. El Labban, G. O. Ngongang Ndjawa, T. Heumueller, K. Vandewal, A. Salleo, B. F. Chmelka, A. Amassian, P. M. Beaujuge, M. D. McGehee, J Am Chem Soc 2014, 136, 9608; N. A. Ran, J. A. Love, C. J. Takacs, A. Sadhanala, J. K. Beavers, S. D. Collins, Y. Huang, M. Wang, R. H. Friend, G. C. Bazan, T. Q. Nguyen, Adv Mater 2016, 28, 1482; K. Vandewal, K. Tvingstedt, A. Gadisa, O. InganaJ. V. Manca, Physical Review B 2010, 81, 참조).

또한, 활성층 구성 요소의 밴드 갭 에너지 (Eg^*)를 E_CT (E_loss = Eg^* - E_CT)에서 뺀 에너지 손실(E_loss)을 평가했다. Eg^*는 광 활성 구성 요소의 여기 에너지를 의미하는, 블렌드 막 및 올인원 막의 tauc 플롯(도 6(a))에서 추출되었다. 맞춤 곡선의 E_CT 값은 블렌드 및 올인원 디바이스의 경우 각각 1.46eV 및 1.56eV이다. V_oc와 E_CT (V_oc E_CT / q - 0.6) 사이의 경험적 관계는 측정 된 E_CT 값이 측정된 V_oc와 일치한다는 것을 보여준다(표 1). 올인원 디바이스의 E_loss는 0.28 eV(= 1.84 eV - 1.56 eV)인 반면, 블렌드 디바이스의 에너지 손실은 0.35 eV(= 1.81 eV - 1.46 eV)이다. 올인원 시스템에서 V_oc의 개선은 D/A CT의 에너지 손실을 완화함으로써 달성되었다.

또 다른 피팅 파라미터 λ는 분자 배열과 에너지 상태의 균일함을 의미한다. 낮은 λ는 특정한 분자 배열의 존재를 의미하며, 이는 에너지 상태의 균일함을 나타내고 전하 분리를 촉진한다. 단분자 유기태양전지(OSC)는 2분자 블렌드 디바이스의 λ(0.23 eV)보다 낮은 λ 값(0.10 eV)을 갖는다. 즉, 올인원 분자 구조는 에너지 장애를 완화시킬 수 있는 특정 D/A 배열을 구성하는 이점이 있다.

정상 상태(steady-state)의 광 발광(photoluminescence, PL)을 BDTRh-OH, BDTRh-OH:PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM에 기록하여 엑시톤 재조합 및 전하 이동을 연구했다. 블렌드 시스템 및 올인원 시스템에서 BDTRh 성분을 대부분 여기시키기 위한 여기 에너지는 2.17eV였다(도 7의 (a)). 순수한 BDTRh-OH, BDTRh-OH:PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM의 광 발광(PL) 스펙트럼은 도 7의 (b)에 나타난다. BDTRh-OH:PCBM 블렌드 막의 PL 스펙트럼과 BDTRH-OH 막의 비교에서, PL 방출은 거의 ?칭(94.8 %)되었다. 또한, BDTRh-OH와 비교했을 때 올인원 시스템에 있는 PL도 완전히 ?칭되었다(96.4%). 두 관찰 결과는 BDTRh-PCBM 에서도 블렌드 시스템과 같이 BDTRh 로부터 PCBM으로 효율적인 전자 전달이 있음을 나타낸다 (후술되는 일시적인 흡수 데이터에 의해도 뒷받침됨).

엑시톤 및 전하 생성 역학을 추적하기 위해, BDTRh-OH, BDTRh-OH:PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM에서 펨토초 순간 흡수 분광법(TAS)을 수행했다. 이 실험에서 2.17 eV 펌프 광자를 사용하여 BDTRh 성분을 선택적으로 여기시키고, 최종 동적 특성은 여기 후 다른 시간 지연에서 스펙트럼의 근적외선 영역에서 광대역 프로브 펄스의 차등 전송을 측정하여 모니터링한다. 도 8의 (a)는 서로 다른 시간 지연에서 순수한 BDTRh-OH 막의 TAS를 표시한다. 1.1 eV를 중심으로 하는 넓은 음(negative)의 밴드와 1.5 eV를 중심으로 하는 양(positive)의 밴드가 관찰된다. 이러한 밴드(피크)는 BDTRh-OH 단일항(singlet) 여기자의 흡수 및 자극 방출 각각과 일치한다. 음의 밴드의 동역학은 도 8의 (b)에 나타냈다. BDTRh-OH 단일항 여기자는 20 ps (1 / e time)의 수명으로 붕괴된다.

도 9a와 9b는 서로 다른 시간 지연에서 BDTRh-OH:PCBM 블렌드와 BDTRh-PCBM의 TAS를 나타낸다. 엑시톤 밴드 ~ 1eV 이외에 강한 폴라론(polaron) 밴드가 두 샘플 모두 ~ 1.4eV에 집중되는 것을 관찰했다. 엑시톤 및 폴라론 광-유도 흡수(photo-induced absorption, PIA) 스펙트럼의 특성은 폴리머 블렌드에서의 초기 TAS 결과와 일치한다. 도 9c 및도 9d는 BDTRh-OH : PCBM 블렌드 및 BDTRh-PCBM 필름에 대해 ~ 1.03eV 및 ~ 1.4eV에서 TAS 시그날의 시간에 따른 변화를 도시한다. 싱글렛 엑시톤은 싱글렛 엑시톤 밴드 ~ 1.03 eV의 급격한 감쇠로 표시되는 것처럼 두 샘플 모두에서 초고속 전하 이동을 거친다. BDTRh-OH : PCBM 블렌드에 대한 싱글렛 엑시톤 감쇠 시간(2 ps)은 BDTRh-OH 필름 (20 ps)보다 훨씬 빠르며 광 유도 전하 이동의 높은 효율을 나타낸다. 또한, 지연에서 1.03 eV 피크의 순간 신호 증가를 관찰했다. 우리는 또한 폴라론 피크 ~ 1.4eV의 역학을 모니터링했다. 이 블렌드의 폴라론 수명은 350ps(1 / e 시간)이다. BDTRh-PCBM에서 전자 전달 시간은 300 fs이고 폴라론 수명(3.5 ns)은 BDTRh-OH : PCBM과 비교하여 더 긴 차수이다. 1.03eV에서의 순간 신호도 1ps 후에 증가하고 1ns까지 상승한다.

이 상승의 원인을 이해하기 위해, 도 10에서 광원 세기 의존 TAS를 수행했다. 우리는 이후 1.03eV 피크의 강도 의존성 동역학을 관찰했다(도 10a 및 10b). 우리는 전자와 정공의 재조합을 통해 이것이 삼중항 엑시톤 생성에 기여한 것으로 생각한다. 그러나, 1.03eV에서의 초기 동역학은 광 세기에 독립적이며, 이는 우리의 측정에서 엑시톤 소멸이 없음을 의미한다. 우리는 또한 자유 전하의 비 이중(geminate)(bimolecular) 재조합에 해당하는 폴라론(polaron) 피크 붕괴의 강한 광원 세기 의존성을 관찰했다(도 10(c) 및 10(d)). 전하의 비이중 재조합은 이들 측정에서 전하가 추출되지 않기 때문에 빛의 세기가 증가함에 따라 증가한다(0V 바이어스). 유사한 광 여기 밀도에서, BDTRh-PCBM 블렌드에 비해 BDTRh-PCBM에서 삼중항 형성이 매우 강하다.

블렌드 및 올인원 막의 표면 형태는 탭핑 원자힘 현미경(AFM)으로 비교된다. 형태학적 이미지와 상응하는 상 이미지는 도 11에 도시한다. 블렌드 막은 BDTRh-OH 및 PCBM 도메인을 명확히 구분하고, 올인원 막은 잘 분포된 평면을 갖는다. 구조적으로 연결된 주개들과 받개들은 올인원 시스템에서 스스로 응집이 억제되었지만, 주개와 받개의 자기 응집은 블렌드 시스템에서 나타났다. 또한, 표면 거칠기의 RMS(root-mean-square) 값은 두 막 사이의 높은 차이점을 보여 주며, 블렌드 막의 경우 16.7 nm, 올인원 막의 경우 0.405 nm이다. 이것은 분자 설계가 특정 D/A 배열을 유도한다는 것을 의미하며 이는 도 6b의 λ 추정과 일치하는 결과이다.

원래의(pristine) BDTRh-OH(코어) 막 및 BDTRh-PCBM(올인원) 막, BDTRh-OH : PCBM(블렌드) 막에서 분자 패킹의 세부 분석을 위해 거친 저입사각 광각 X 선 산란 (GIWAXS) 측정이 수행되었다(도 12). GIWAXS 측정에서 파생된 패킹 파라미터는 표 6에 요약되어 있다.

Direction	샘플	Lamellar stack		π-π stack
Direction	샘플	Scattering vector (q) [Å^-1]	d-spacing [Å]	Scattering vector (q) [Å^-1]	d-spacing [Å]
In-plane	Core	0.2981	21.08	1.697	3.703
	Blend	0.2941	21.36	1.675	3.750
	All-in-one	0.3080	20.40	-	-
Out-of-plane	Core	0.3069	20.47	1.668	3.767
	Blend	0.2950	21.29	-	-
	All-in-one	0.3208	19.58	-	-

원래의 코어 막은 평면 내(in plane) 및 평면 외(out-of-plane) 방향 모두에서 3차수 (300) 및 π- π 스태킹 피크 (010)까지 강한 평면 외 층간 산란 피크를 보유한다. 그 특징은 블렌드 막에 남아 있고, 즉, BDTRh-OH는 PCBM 도메인에서 자유롭게 도메인을 형성한다. 반면 올인원 막은 코어 막 및 블렌드 막에 비해 더 약한 인터라멜라 패킹(100)을 갖는다. BDTRh-PCBM에서 두 개의 연결된 PCBM은 코어부의 분자 패킹을 방해한다. 이 특징은 AFM 결과와 일치한다. 올인원 장치에서 FF가 저하되는 이유는 특정 분자 배열을 형성하는 것이 적절함에도 불구하고 올인원 시스템에서 주개 도메인(donor domain) 자체의 형성이 어렵기 때문일 수 있다. 즉, 올인원 광전지 소분자의 분자 디자인은 주개부와 받개부 각각이 어떻게 그것들의 도메인을 형성하는지를 찾는 데 여전히 어려움을 겪고 있다.

결론적으로 본 발명은 올인원 단분자를 사용하여 단분자 유기태양전지를 성공적으로 제시한다. PCE 2.44%는 보고된 올인원 단분자 유기태양전지 중에서 최고 PCE이다. 또한, 본 발명은 이분자(bimolecular) 블렌드 시스템과 비교하여 올인원 시스템의 장점을 제시한다. 올인원 시스템에서 CT 프로세스를 통한 에너지 손실은 현저하게 감소되어 단분자 유기태양전지에서 개선된 V_OC를 제공한다. λ 값의 명백한 차이는 올인원 시스템이 구조적으로 연결된 주개와 받개에 의해 D/A 인터페이스에서 특정 분자 구성을 형성하는 데 유리하다는 것을 나타낸다. 또한, 올인원 시스템에서 높은 폴라론 특성, 초고속 전자 전달 및 강력한 삼중항 형성을 나타냈다. 이러한 결과는 올인원 시스템에서 매우 짧은 시간내에 효율적인 전하 생성에도 불구하고 낮은 이동도는 광전력 성능의 향상을 제한한다는 것을 시사한다. 주개와 받개가 올인원 시스템에서 각각 자신의 도메인을 형성하기가 어렵기 때문에 고성능 단분자 유기태양전지를 달성하기 위해서는 여전히 몇 가지 과제가 남아있다. 하지만, 본 발명은 단분자 유기태양전지의 최적화를 위하여 블랜드 유기태양전지와 더불어, 새로운 유형의 장치의 등장 : 단분자 OSC가 OSC의 연구 및 개발에 새로운 길을 열었다고 평가할 수 있다.

Claims

[A-D-A] 구조를 갖는 유기 단분자로서,
상기 A는 PCBM 유래 화합물이고,
상기 D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 화합물이고,
상기 유기 단분자는 하기 구조식 1의 화합물이고
상기 유기 단분자는 아래 구조식 3의 BDTRh-OH와 [6,6]-페닐-C61-부티르산 클로라이드를 반응시켜 합성된 것인, 유기단분자.
[구조식 1]

[구조식 3]
제1항에 있어서, 상기 A는 전자 받개이고, 상기 D는 전자 주개인, 유기 단분자.
제1항에 있어서, 상기 D:A의 몰비는 1:2인, 유기 단분자.
기판 위에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되고 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기태양전지로서,
상기 광활성층은 [A-D-A] 구조를 갖는 유기 단분자를 포함하는 유기태양전지;
상기 A는 PCBM 유래 화합물이고,
상기 D는 벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene, BDT)을 중심 단위로 포함하는 화합물이고,
상기 유기 단분자는 하기 구조식 1의 화합물이고,
상기 유기 단분자는 아래 구조식 3의 BDTRh-OH와 [6,6]-페닐-C61-부티르산 클로라이드를 반응시켜 합성된 것이다.
[구조식 1]

[구조식 3]
제4항에 있어서, 상기 A는 전자 받개이고, 상기 D는 전자 주개인, 유기태양전지.
제4항에 있어서, 상기 D:A의 몰비는 1:2인, 유기태양전지.
제4항에 있어서, 상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층, 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함하는, 유기태양전지.
제4항에 있어서, 상기 유기물층은 전자 주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함하는, 유기태양전지.
제4항에 있어서, 상기 유기태양전지는 제1 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 제2 전극으로 이루어진, 유기태양전지.
제9항에 있어서, 상기 정공수송층의 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene doped with poly(styrenesulfonic acid), 몰리브덴 산화물(MoO_x), 바나듐 산화물(V₂O₅), 니켈산화물(NiO), 및 텅스텐 산화물(WO_x)로 이루어진 군에서 선택된 1종인, 유기태양전지.
제9항에 있어서, 상기 전자수송층의 물질은 아연 산화물(ZnO), 티타늄산화물(TiO_x), LiF, 및 세슘 카보네이트(Cs₂CO₃)로 이루어진 군에서 선택된 1종인, 유기태양전지.
제4항에 있어서, 상기 제1 전극은 크롬, 구리, 아연, 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 및 인듐아연 산화물(IZO)로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는, 유기태양전지.
제4항에 있어서, 상기 제2 전극은 알루미늄, 은, 마그네슘, 구리, 주석, 리튬, 티타늄, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨 및 납으로 이루어진 군에서 선택된 1종인, 유기태양전지.