KR20140075878A - 공중합체 및 이를 이용한 유기 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 공중합체 및 상기 공중합체를 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다.
Description
본 명세서는 공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
유기 태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 나뉠 수 있다. 전형적인 태양전지는 무기 반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자와 정공은 p-n 접합점까지 확산되고 그 전계에 의하여 가속되어 전극으로 이동한다. 이 과정의 전력변환 효율은 외부 회로에 주어지는 전력과 태양전지에 들어간 태양전력의 비로 정의되며, 현재 표준화된 가상 태양 조사 조건으로 측정 시 24%정도까지 달성되었다. 그러나 종래 무기 태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기물 반도체 태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
태양전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 엑시톤을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다. 전하가 손실되는 원인 중의 하나가 생성된 전자 및 정공이 재결합(recombination)에 의해 소멸하는 것이다. 생성된 전자나 정공이 손실되지 않고 전극에 전달되기 위한 방법으로 다양한 방법이 제시되고 있으나, 대부분 추가 공정이 요구되고 이에 따라 제조 비용이 상승할 수 있다.
Two-layer organic photovoltaic cell(C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1996))
Efficiencies via Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions(G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270, 1789. (1995))
본 명세서의 목적은 우수한 전기적 특성을 나타내고, 광전 변환 효율 특성이 우수한 공중합체 및 이를 포함하는 유기 태양 전지를 제공하는데 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서,
하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 A 단위;
하기 화학식 4로 표시되는 B 단위; 및
하기 화학식 5로 표시되는 C 단위를 포함하는 공중합체를 제공한다.
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
화학식 1 내지 5에 있어서,
w, x, y 및 z는 각각 0 내지 2의 정수이고,
X1 내지 X6 및 X2'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되고,
Y1 내지 Y3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR로 이루어진 군에서 선택되고,
R 및 R'는 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하며,
R1 내지 R5 및 R7은 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하고,
R6는 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
또한, 본 명세서는 제1 전극; 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 공중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 공중합체는 유기 태양 전지 유기물층의 재료로서 사용될 수 있고, 이를 이용한 유기 태양 전지는 개방전압 상승 및 효율 상승 등에서 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 특히, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 공중합체는 깊은 HOMO 준위, 작은 밴드갭, 높은 전하 이동도를 가져 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 공중합체는 유기 태양 전지에서 단독 또는 다른 물질과 혼합하여 사용이 가능하고, 효율을 향상시키고, 화합물의 열적 안정성에 의하여 소자의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예 1에 의한 화합물의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 2는 실시예 2에 의한 화합물의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 3은 실시예 3에 의한 공중합체 1의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 4는 실시예 3에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltammetry)를 나타낸 도이다.
도 5는 실시예 4에 의한 공중합체 2의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 6은 실시예 4에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 도이다.
도 7은 실시예 5에 의한 공중합체 3의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 8은 실시예 5에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 도이다.
도 9는 제조예 1에 따라 제작된 공중합체 1을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 도이다.
도 10은 제조예 2에 따라 제작된 공중합체 2을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 도이다.
도 11는 제조예 3에 따라 제작된 공중합체 3을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 도이다.
도 2는 실시예 2에 의한 화합물의 NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 3은 실시예 3에 의한 공중합체 1의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 4는 실시예 3에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltammetry)를 나타낸 도이다.
도 5는 실시예 4에 의한 공중합체 2의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 6은 실시예 4에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 도이다.
도 7은 실시예 5에 의한 공중합체 3의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 8은 실시예 5에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 도이다.
도 9는 제조예 1에 따라 제작된 공중합체 1을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 도이다.
도 10은 제조예 2에 따라 제작된 공중합체 2을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 도이다.
도 11는 제조예 3에 따라 제작된 공중합체 3을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 도이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서에 있어서, 상기 공중합체는 상기 A 단위, B 단위 및 C 단위를 포함하는 공중합체를 제공한다.
본 명세서에 있어서, '단위'란 공중합체에 포함되는 단량체에 포함되는 반복되는 구조로서, 단량체가 중합에 의하여 중합체 내에 결합된 구조를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A 단위는 상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나이다. 상기 A 단위는 단환 또는 다환의 방향족, 또는 단환 또는 다환의 헤테로 방향족의 고리기를 포함한다. A 단위를 포함하는 경우, 컨쥬게이션 길이가 증가하여, 밴드갭이 작아지고, 전하 이동도가 높아지는 효과를 제공할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 B 단위는 상기 화학식 4이다. 상기 화학식 4는 다환의 방향족 또는 다환의 헤테로 방향족의 고리기를 포함한다. B 단위를 포함하는 경우, 전자 끄는 효과를 갖게 되어, 밴드갭이 작아질 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 B 단위에 치환기를 도입하여, 용해도를 증가시킬 수 있다. 예컨대, 상기 B 단위에 알킬기를 도입하면 용해도가 상승한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 C 단위는 상기 화학식 5이다. 상기 화학식 5는 다환의 방향족 또는 지방족 헤테로 고리의 이미드기를 포함할 수 있다. C 단위를 포함하는 경우, C 단위에 포함된 이미드 고리 부분이 전자 끄는 기능을 가지고 있어, 밴드갭이 작아질 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 C 단위에 치환기를 도입하여, 용해도를 증가시킬 수 있다. 예컨대, 상기 C 단위에 알킬기를 도입하면 용해도가 상승한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A, B 및 C 단위를 포함하는 공중합체는 전자 주개 효과를 갖는 A 단위와 전자 끄는 효과를 갖는 B 또는 C 단위가 반복적으로 존재하여, 밴드갭이 낮고, 전하 이동도가 우수하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X4, X6 및 X2'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 S, O 또는 Se 이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, X1 은 S 이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, X2는 S 이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, X2'는 S 이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, X3는 S 이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, X4는 S이다.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 A 단위는 하기 화학식 11, 21 또는 31로 표시된다.
[화학식 11]
[화학식 21]
[화학식 31]
화학식 11, 21 및 31에 있어서,
X1 내지 X4, X2', R1 내지 R4 는 화학식 1 내지 3에서 정의한 바와 동일하고, R1'는 R1의 정의와 동일하며, R2'는 R2의 정의와 동일하고, R3'는 R3의 정의와 동일하고, R4'는 R4의 정의와 동일하다.
또 하나의 실시상태에 있어서, X6는 S 이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, X5는 NR이다. 이 경우, 상기 R은 상기에서 정의한 바와 같다.
또 하나의 실시상태에 있어서, X5는 S이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 Y1는 N이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 Y2는 N이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X5는 NR 또는 S 이고, 상기 Y1 및 Y2는 N이고, 상기 R은 청구항 1에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R5 및 R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기 또는 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 X5는 NR 또는 S 이고, 상기 Y1 및 Y2는 N이며, 상기 R은 청구항 1에서 정의한 바와 동일하고, 상기 R5 및 R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기 또는 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R5 및 R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기 또는 탄소수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지쇄의 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5 및 R6 중 적어도 하나는 수소가 아니어서, 소자 구성에 용이한 용해도를 갖을 수 있는 이점이 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 X6는 S, O 또는 Se이고, 상기 Y3는 N이며, 상기 R7는 수소 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R7는 수소 또는 탄소수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지쇄의 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 고리원 탄소수가 3 내지 30인 치환 또는 비치환된 아릴기 및 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군에서 1 또는 2 이상을 포함하는 D 단위를 더 포함하는 공중합체를 제공한다.
본 명세서에 있어서, 고리원 탄소수란 지방족 또는 방향족 고리를 이루는 탄소의 개수를 의미하며, 치환된 경우라면, 상기 치환기의 고리원 탄소수를 포함한다.
고리원 탄소수가 30 이하인 경우, 단량체의 합성이 유리하여, 공정 단계가짧아지고, 재료의 단가가 낮추는 효과가 있다. 또한, 고리원 탄소수가 증가할수록 중합체 내의 전자 주개 능력 (donation ability)가 증가하여 HOMO 에너지 준위가 증가하게 되어, 소자 제작시 낮은 개방전압을 나타낼 수 있다. 고리원 탄소수가 30이하인 경우, 중합체 내의 적절한 전자 주개 능력을 갖게 되어 적절한 HOMO 에너지 준위를 갖는 이점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 D 단위는 하기 화학식 중 1 또는 2 이상을 더 포함하는 것인 공중합체를 제공한다.
a는 0 내지 4의 정수이고,
b는 0 내지 6의 정수이며,
c는 0 내지 8의 정수이고,
d 및 e는 각각 0 내지 3의 정수이며,
R8 내지 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성할 수 있고,
X7 내지 X9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되며,
Y4 내지 Y7는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR로 이루어진 군에서 선택되고,
R 및 R'는 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식은 고리원 탄소수가 3 내지 30인 치환 또는 비치환된 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
상기 화학식의 고리원 탄소수와 상기 화학식의 치환기의 고리원 탄소수의 합이 30이하가 되도록 추가의 치환기가 치환될 수 있다.
예컨대, 최대 고리원 탄소수가 5인 
; 고리원 탄소수가 6인 
; 최대 고리원 탄소수가 8인 
및 
; 또는 최대 고리원 탄소수가 10인 
및 
는 페닐기, 비페닐기, 터페닐기, 스틸벤기, 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세타프타세닐기, 트리페닐렌기 또는 플루오란텐 등의 아릴기로 치환될 수 있고, 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기 또는 디벤조퓨라닐기 등의 헤테로고리기로 치환될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
최대 고리원 탄소수가 11인 
; 또는 최대 고리원 탄소수가 12인 
는 페닐기, 비페닐기, 터페닐기, 스틸벤기, 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세타프타세닐기, 트리페닐렌기 또는 플루오란텐 등의 아릴기로 치환될 수 있고, 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기 또는 디벤조퓨라닐기 등의 헤테로고리기로 치환될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로는 최대 고리원 탄소수가 13인 
및 
; 또는 최대 고리원 탄소수가 14인 
, 
, 
및 
는 페닐기, 비페닐기, 스틸벤기, 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 플루오레닐기, 아세타프타세닐기 또는 플루오란텐 등의 아릴기로 치환될 수 있고, 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기 또는 디벤조퓨라닐기 등의 헤테로고리기로 치환될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로는 최대 고리원 탄소수가 15인 
; 또는 최대 고리원 탄소수가 16인 
, 
는 페닐기, 비페닐기, 스틸벤기, 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 플루오레닐기 또는 아세타프타세닐기 등의 아릴기로 치환될 수 있고, 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기 또는 디벤조퓨라닐기 등의 헤테로고리기로 치환될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로는 최대 고리원 탄소수가 19인 
; 또는 최대 고리원 탄소수가 20인 
는 페닐기 또는 나프틸기 등의 아릴기로 치환될 수 있고, 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조티오펜기 또는 벤조퓨라닐기 등의 헤테로고리기로 치환될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식을 1 또는 2 이상을 포함하는 D 단위를 더 포함하는 공중합체는 밴드갭을 낮추거나, 용해도를 증가시킬 수 있다.
상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기 및 헵틸기 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 스틸베닐기(stylbenyl), 스티레닐기(styrenyl)기 등의 아릴기가 치환된 알케닐기가 바람직하나 이들에 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, 메톡시기, 에톡시기, n-프로필옥시기, iso-프로필옥시기, n-부틸옥시기, 시클로펜틸옥시기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 특히 시클로펜틸기, 시클로헥실기가 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 할로겐기는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴기는 단환식일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 60인 것이 바람직하다. 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 비페닐기, 트라이페닐기, 터페닐기, 스틸벤기 등의 단환식 방향족 및 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세나프타센닐기, 트리페닐렌기, 플루오란텐(fluoranthene)기 등의 다환식 방향족등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 헤테로 고리기는 이종원자로 O, N 또는 S를 포함하는 헤테로 고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기(phenanthroline) 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 이미드기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 하기와 같은 구조의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아미드기는 아미드기의 질소가 수소, 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 25의 아릴기로 1 또는 2 치환될 수 있다. 구체적으로, 하기 구조식의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 에스테르기는 에스테르기의 산소가 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 25의 아릴기로 치환될 수 있다. 구체적으로, 하기 구조식의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 헤테로아릴기는 전술한 헤테로 고리기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 플루오레닐기는 2개의 고리 유기화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조로서, 예로는 
등이 있다.
본 명세서에 있어서, 플루오레닐기는 열린 플루오레닐기의 구조를 포함하며, 여기서 열린 플루오레닐기는 2개의 고리 화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조에서 한쪽 고리 화합물이 연결이 끊어진 상태의 구조로서, 예로는 
, 
등이 있다.
본 명세서에 있어서, 아민기는 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 1 내지 30인 것이 바람직하다. 아민기의 구체적인 예로는 메틸아민기, 디메틸아민기, 에틸아민기, 디에틸아민기, 페닐아민기, 나프틸아민기, 비페닐아민기, 안트라세닐아민기, 9-메틸-안트라세닐아민기, 디페닐아민기, 페닐나프틸아민기, 디톨릴아민기, 페닐톨릴아민기, 트리페닐아민기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴 아민기의 예로는 치환 또는 비치환된 단환식의 디아릴아민기, 치환 또는 비치환된 다환식의 디아릴아민기 또는 치환 또는 비치환된 단환식 및 다환식의 디아릴아민기를 의미한다.
본 명세서에 있어서, 아릴옥시기, 아릴티옥시기, 아릴술폭시기 및 아랄킬아민기중의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다.
본 명세서에 있어서, 알킬티옥시기, 알킬술폭시기, 알킬아민기 및 아랄킬아민기 중의 알킬기는 전술한 알킬기의 예시와 같다.
본 명세서에 있어서, 헤테로아릴아민기 중의 헤테로 아릴기는 전술한 헤테로고리기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 알킬기; 알케닐기; 알콕시기; 시클로알킬기; 실릴기; 아릴알케닐기; 아릴기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 붕소기; 알킬아민기; 아랄킬아민기; 아릴아민기; 헤테로아릴기; 카바졸기; 아릴아민기; 아릴기; 플루오레닐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로 고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체는 랜덤 공중합체(random copolymer), 교대 공중합체(alternative copolymer), 블록 공중합체(block copolymer), 그라프트 공중합체(graft copolymer), 별모양 공중합체(starblock copolymer)로 이루어진 군에서 선택된다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 공중합체는 교대 공중합체(alternative copolymer)이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 공중합체는 랜덤 공중합체(random copolymer)이다. 상기 공중합체가 랜덤 공중합체인 경우, 비결정질적인 특성으로 인하여, 공정상 열처리 또는 에이징이 필수적이지 않으므로 시간 및/또는 비용면에서 경제적인 이점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 공중합체는 하기 화학식 6으로 표시되는 것을 포함한다.
[화학식 6]
화학식 6에 있어서,
l는 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이고,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이며, l+m = 1이고,
n은 1 ~ 10,000의 정수이며,
A 및 A'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나이고,
B는 상기 화학식 4이며,
C는 상기 화학식 5이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 공중합체는 하기 화학식 7로 표시되는 것을 포함한다.
[화학식 7]
화학식 7에 있어서,
n은 1 ~ 10,000의 정수이며,
A 및 A'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나이고,
B는 상기 화학식 4이며,
C는 상기 화학식 5이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 공중합체는 상기 A 단위, B 단위 및 C 단위 이외에도 D 단위를 더 포함한다. 상기 공중합체는 하기 화학식 8로 표시되는 구조를 포함한다.
[화학식 8]
화학식 8에 있어서,
l는 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이고,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이며,
o는 몰분율로서, 0 ≤ m < 1인 실수이고,
l+m+o = 1이며,
n은 1 ~ 10,000의 정수이고,
A 및 A'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나이며,
B는 상기 화학식 4이고,
C는 상기 화학식 5이며,
D는 하기 화학식 중 1 또는 2이상을 포함하고,
a, b, c, d, e, R8 내지 R11, X7 내지 X9, Y4 내지 Y7은 상기에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A 단위는 공중합체의 전체 함량 중 50몰% 이상 100몰% 미만이고, 상기 B + C단위는 공중합체의 전체 함량 중 0 몰% 초과 50 몰% 이하이며, C 단위에 대한 B 단위의 비율은 0.01 초과 1이하이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 말단기는 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 말단기로는 헤테로 고리기 또는 아릴기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 말단기는 4-(트리플루오로메틸)페닐기(4-(trifluoromethyl)phenyl)이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체의 수평균 분자량은 500 내지 1,000,000g/mol이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 공중합체의 수평균 분자량은 10,000 내지 100,000이 바람직하다. 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공중합체의 수평균 분자량은 30,000 내지 70,000이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공중합체는 1 내지 100의 분자량 분포를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 공중합체는 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 100,000이하인 것이 바람직하다.
상기 공중합체는 후술하는 제조예를 기초로 제조될 수 있다.
본 명세서에 따른 공중합체는 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 공중합체들을 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) 화합물인 경우에는 스틸 커플링 반응을 통해 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 명세서는 상기 A 단위, 상기 B 단위 및 상기 C 단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극; 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 A 단위, 상기 B 단위 및 상기 C 단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
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 유기물층은 상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층은 상기 공중합체를 포함한다.
또 하나의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층은 상기 공중합체를 포함한다.
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 양극으로 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, 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.
또 하나의 실시상태에 있어서, 버퍼층이 광활성층과 정공수송층 사이 또는 광활성층과 전자수송층 사이에 구비될 수 있다. 이때, 정공 주입층이 애노드와 정공수송층사이에 더 구비될 수 있다. 또한, 전자주입층이 캐소드와 전자수송층 사이에 더 구비될 수 있다.
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 terphthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polypropylene), PI(polyimide), TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극은 애노드, 제2 전극은 캐소드이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 제1 전극은 캐소드, 제2 전극은 애노드이다.
상기 애노드은 통상 유기물층으로 정공 주입이 원활할 수 있도록 일함수가 큰 물질이 바람직하다. 또한, 투명하고, 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에서 사용될 수 있는 애노드 물질의 구체적인 예로는 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SNO2 : Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 폴리(3-메틸티오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 캐소드는 통상 유기물층으로 전자 주입이 용이하도록 일함수가 작은 물질인 것이 바람직하다. 캐소드 물질의 구체적인 예로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; Al/Li, Al/BaF2, Al/BaF2/Ba, LiF/Al 또는 LiO2/Al과 같은 다층 구조 물질 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다. 구체적인 예로는 아릴아민 계열의 유기물, 전도성 고분자 및 공액 부분과 비공액 부분이 함께 있는 블록 공중합체 등이 있으나, 이들에만 한정되지 않는다. 상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)), N, N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민(TPD)가 될 수 있다.
상기 전자수송층 물질은 8-히드록시퀴놀린의 Al착물; Alq3를 포함한 착물; 유기 라디칼 화합물; 히드록시플라본-금속 착물, 알루미늄트리하이드록시퀴놀리(Alq3), 1,3,4-옥사다이아졸 유도체인 PBD(2-(4-bipheyl)-5-phenyl-1,3,4-oxadiazole), 퀴녹살린 유도체인 TPQ(1,3,4-tris[(3-phenyl-6-trifluoromethyl)qunoxaline-2-yl]benzene) 및 트리아졸 유도체 등이 될 수 있다.
상기 정공 주입 물질로는 낮은 전압에서 양극으로부터 정공을 잘 주입 받을 수 있는 물질로서, 정공 주입 물질의 HOMO(highest occupied molecular orbital)가 양극 물질의 일함수와 주변 유기물층의 HOMO 사이인 것이 바람직하다. 정공 주입 물질의 구체적인 예로는 금속 포피린(porphyrin), 올리고티오펜, 아릴아민 계열의 유기물, 헥사니트릴헥사아자트리페닐렌 계열의 유기물, 퀴나크리돈(quinacridone)계열의 유기물, 페릴렌(perylene) 계열의 유기물, 안트라퀴논 및 폴리아닐린과 폴리티오펜 계열의 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정 되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 광활성층이고, 상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함하고, 상기 전자 주개 물질은 상기 공중합체이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 받개 물질은 플러렌, 플러렌 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합이 될 수 있으며, 구체적으로 PC61BM(phenyl C61-butyric acid methyl ester) 또는 PC71BM(phenyl C71-butyric acid methyl ester)가 될 수 있다.
상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질이 벌크헤테로정션(BHJ)을 형성할 수 있다. 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질은 1:10 내지 10:1의 비율(w/w)로 혼합된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 광전변환 물질은 화학식 1의 제1 단위를 포함한 공중합체와 전자 받개간의 혼합비율이 1:0.5 ∼ 1:4의 중량비로 배합된다.
이때, 본 명세서의 상기 A 단위, 상기 B 단위 및 상기 C 단위를 포함한 공중합체에 비하여, 상기 플러렌 유도체가 0.5 중량비 이상으로 배합되면, 결정화된 플러렌 유도체의 함량이 부족하여 생성된 전자의 이동에 장애가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 4 중량비 이하이면, 광을 흡수하는 상기 A 단위, 상기 B 단위 및 상기 C 단위를 포함한 공중합체의 양이 상대적으로 적절하여, 광의 효율적인 흡수를 이룰 수 있는 이점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기 태양 전지는 애노드 전극, 광활성층 및 캐소드 전극 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드 전극, 광활성층 및 애노드 전극 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 캐소드 전극 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드 전극, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 전극 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 유기 태양 전지는 유기물층이 본 명세서의 화합물, 상기 A 단위, 상기 B 단위 및 상기 C 단위를 포함한 공중합체를 포함하는 것을 제외하고는 당 기술분야에 알려져 있는 재료와 방법으로 제조될 수 있다.
상기 A 단위, 상기 B 단위 및 상기 C 단위를 포함한 공중합체의 제조 방법 및 이들을 이용한 유기 태양 전지의 제조는 이하의 실시예에서 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것이며, 본 명세서의 범위가 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
1.
모노머
합성-1 (2,5-
비스(트라이메틸스태닐)티오펜
(2,5-Bis(trimethylstannyl)thiophene)의 합성)
200 ml의 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)을 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, MgSO4 (Magnesium sulfate)로 잔여 물을 제거하였다. 남은 용액을 감압하에 용매를 제거하고 메탄올 (Methanol)로 재결정하여 하얀 고체를 얻었다.
수율: 73.1 %
도 1은 실시예 1에 의한 화합물의 NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
실시예
2.
모노머
합성-2 (2,5-
비스
-
트라이메틸스태닐
-
티에노[3,2-b]티오펜
(2,5-Bis-trimethylstannyl-thieno[3,2-b]thiophene)의 합성)
50 ml의 테트라하이드로퓨란 (THF)에 티에노[3,2-b]티오펜 (Thieno[3,2-b]thiophene, 1.5 g, 10.7 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, 14.7ml, 23.53mmol)을 천천히 넣고, 30분 동안 교반하였다. 이 후, 0℃까지 온도를 높이고 이 상태에서 1시간 교반 후, 다시 -78℃까지 온도를 낮추고 THF에 녹아있는 1M 트라이메틸틴클로라이드 (1M Trimethyltinchloride in THF, 26.7ml, 26.7 mmol)을 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 재결정하여 하얀 고체를 얻었다.
수율: 63.5 %
도 2은 실시예 2에 의한 화합물의 NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
실시예
3. 고분자 중합 (공중합체 1의 중합)
본 명세서에서 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸록시)벤조[c]-1,2,5-티아다이아졸 (4,7-Dibromo-5,6-bis (octyloxy)benzo[c]-1,2,5-thiadiazole)은 이전의 문헌을 참고하여 제조하였다. (Wonho Lee, Hyosung Choi, Sungu Hwang, Jin Young Kim and Han Young Woo, Chem. Eur. J. 18, 2012, 2551-2558) 본 발명에서 1,3-다이브로모-5-도데실사이에노[3,4-c]피롤-4,6-다이온(1,3-Dibromo-5-dodecylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)은 이전의 문헌을 참고하여 제조하였다. (Xugang Guo, Rocio Ponce Ortiz, Yan Zheng, Myung-Gil Kim, Shiming Zhang, Yan Hu, Gang Lu, Antonio Facchetti, and Tobin J. Marks, J. Am. Chem. Soc. 133, 2011, 13685-13697)
마이크로 웨이브 리엑터 바이알(Microwave reactor vial)에 클로로벤젠(Chlorobenzene) 15 ml, 2,5-비스(트라이메틸스태닐)티오펜 (2,5-Bis(trimethylstannyl)thiophene, 1.2 g, 2.93 mmol), 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸록시)벤조[c]-1,2,5-티아다이아졸 (4,7-Dibromo-5,6-bis (octyloxy)benzo[c]-1,2,5-thiadiazole, 0.8059 g, 1.46 mmol), 1,3-다이브로모-5-도데실사이에노[3,4-c]피롤-4,6-다이온(1,3-Dibromo-5-dodecylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione, 0.7018 g, 1.46 mmol) Pd2(dba)3 (Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0), 80 mg), 트라이-(오-톨릴)포스핀 (Tri-(o-tolyl)phosphine, 107 mg)을 넣고 170 ℃ 조건 하에 1시간 동안 반응 시켰다. 혼합물을 실온까지 냉각하여 메탄올에 부은 후 고체를 걸러 아세톤, 헥산, 클로로폼에 석슐렛 추출(Soxhlet extraction)한 다음, 클로로폼 부분을 다시 메탄올에 침전시켜 고체를 걸러내었다.
수율: 44 %
수 평균 분자량: 43,100 g/mol
무게 평균 분자량: 93,100 g/mol
도 3은 실시예 3에 의한 공중합체 1의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3의 필름상 UV 흡광 스펙트럼은 화합물을 클로로벤젠에 1 wt%의 농도로 녹여 이 용액을 유리기판 위에 떨어뜨린 후 1000 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅한 샘플을 25도, 90도, 120도, 150도에서 열처리 한 뒤 UV-Vis absorption spectrometer를 이용하여 분석하였다.
도 4은 실시예 3에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
도 4의 Cyclic voltametry의 측정은 Bu4NBF4를 아세토나이트릴에 0.1 M로 녹인 전해질 용액에 글래시 카본 활성(glassy carbon working) 전극과 Ag/Agcl 기준(reference) 전극, 그리고 Pt 전극을 담아 삼전극법으로 분석하였다. 화합물은 작업(working) 전극에 드롭 캐스팅(drop casting) 방법으로 코팅되었다.
실시예
4. 고분자 중합 (공중합체 2의 중합)
마이크로 웨이브 리엑터 바이알(Microwave reactor vial)에 클로로벤젠(Chlorobenzene) 15 ml, 2,5-비스(트라이메틸스태닐)티오펜 (2,5-Bis(trimethylstannyl)thiophene, 1.2 g, 2.93 mmol), 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸록시)벤조[c]-1,2,5-티아다이아졸 (4,7-Dibromo-5,6-bis (octyloxy)benzo[c]-1,2,5-thiadiazole, 1.2089 g, 2.20 mmol), 1,3-다이브로모-5-도데실사이에노[3,4-c]피롤-4,6-다이온(1,3-Dibromo-5-dodecylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione, 0.3509 g, 0.73 mmol) Pd2(dba)3 (Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0), 80 mg), 트라이-(오-톨릴)포스핀 (Tri-(o-tolyl)phosphine, 107 mg)을 넣고 170 ℃ 조건 하에 1시간 동안 반응 시켰다. 혼합물을 실온까지 냉각하여 메탄올에 부은 후 고체를 걸러 아세톤, 헥산, 클로로폼에 석슐렛 추출(Soxhlet extraction)한 다음, 클로로폼 부분을 다시 메탄올에 침전시켜 고체를 걸러내었다.
수율: 52 %
수 평균 분자량: 26,400 g/mol
무게 평균 분자량: 73,900 g/mol
도 5은 실시예 4에 의한 공중합체 2의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5의 필름상 UV 흡광 스펙트럼은 화합물을 클로로벤젠에 1 wt%의 농도로 녹여 이 용액을 유리기판 위에 떨어뜨린 후 1000 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅한 샘플을 25도, 60도, 90도, 120도에서 열처리 한 뒤 UV-Vis absorption spectrometer를 이용하여 분석하였다.
도 6은 실시예 4에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
도 6의 Cyclic voltametry의 측정은 Bu4NBF4를 아세토나이트릴에 0.1 M로 녹인 전해질 용액에 글래시 카본 활성(glassy carbon working) 전극과 Ag/Agcl 기준(reference) 전극, 그리고 Pt 전극을 담아 삼전극법으로 분석하였다. 화합물은 작업 (working) 전극에 드롭 캐스팅(drop casting) 방법으로 코팅되었다.
실시예
5. 고분자 중합 (공중합체 3의 중합)
마이크로 웨이브 리엑터 바이알(Microwave reactor vial)에 클로로벤젠(Chlorobenzene) 15 ml, 2,5-비스-트라이메틸스태닐-티에노[3,2-b]티오펜 (2,5-Bis-trimethylstannyl-thieno[3,2-b]thiophene, 0.6 g, 1.29 mmol), 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸록시)벤조[c]-1,2,5-티아다이아졸 (4,7-Dibromo-5,6-bis (octyloxy)benzo[c]-1,2,5-thiadiazole, 0.3545 g, 0.644 mmol), 1,3-다이브로모-5-도데실티에노[3,4-c]피롤-4,6-다이온(1,3-Dibromo-5-dodecylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione, 0.3086 g, 0.644 mmol) Pd2(dba)3 (Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0), 35 mg), 트라이-(오-톨릴)포스핀 (Tri-(o-tolyl)phosphine, 47 mg)을 넣고 170 ℃ 조건 하에 1시간 동안 반응 시켰다. 혼합물을 실온까지 냉각하여 메탄올에 부은 후 고체를 걸러 아세톤, 헥산, 클로로폼에 석슐렛 추출(Soxhlet extraction)한 다음, 클로로폼 부분을 다시 메탄올에 침전시켜 고체를 걸러내었다.
수율: 48 %
수 평균 분자량: 6,600 g/mol
무게 평균 분자량: 33,400 g/mol
도 7은 실시예 5에 의한 공중합체 3의 톨루엔 용액과 열처리한 필름상 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7의 필름상 UV 흡광 스펙트럼은 화합물을 클로로벤젠에 1 wt%의 농도로 녹여 이 용액을 유리기판 위에 떨어뜨린 후 1000 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅한 샘플을 25도, 60도, 90도, 120도, 150도에서 열처리 한 뒤 UV-Vis absorption spectrometer를 이용하여 분석하였다.
도 8은 실시예 5에 의한 화합물의 전기 화학 측정 결과(cyclic voltametry)를 나타낸 것이다.
도 8의 Cyclic voltametry의 측정은 Bu4NBF4를 아세토나이트릴에 0.1 M로 녹인 전해질 용액에 글래시 카본 활성(glassy carbon working) 전극과 Ag/Agcl 기준(reference) 전극, 그리고 Pt 전극을 담아 삼전극법으로 분석하였다. 화합물은 working 전극에 drop casting 방법으로 코팅되었다.
유기 태양 전지의 제조 및 특성 측정
제조예
1. 유기 태양전지의 제조-1
상기 실시예 3에서 제조한 화합물과 PCBM을 1:2로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 nm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 화합물-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양전지를 제조하였다.
제조예
2. 유기 태양전지의 제조-2
상기 실시예 4에서 제조한 화합물과 PCBM을 1:2로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 nm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 화합물-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양전지를 제조하였다.
제조예
3. 유기 태양전지의 제조-3
상기 실시예 5에서 제조한 화합물과 PCBM을 1:3로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 nm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 화합물-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양전지를 제조하였다.
비교예
1. 유기 태양전지의 제조-4
P3HT와 PCBM을 1:1로 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene, DCB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 1.0 ~ 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 cm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 P3HT-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여 120 ℃에서 5분간 열처리하고, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 LiF를 7 Å 증착한 후 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양전지를 제조하였다.
<
시험예
1>
상기 제조예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 제조된 유기 태양전지의 광전변환특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 1에 그 결과를 나타내었다.
| 활성층 | VOC(V) | JSC (mA/cm2) | FF | PCE(%) | |
| 제조예 1 | 공중합체 1/PC61BM = 1:2 | 0.81 | 9.65 | 53.3 | 4.13 |
| 제조예 2 | 공중합체 2/PC61BM = 1:2 | 0.77 | 8.95 | 54.3 | 3.75 |
| 제조예 3 | 공중합체 3/PC61BM = 1:3 | 0.50 | 5.02 | 32.3 | 0.81 |
| 비교예 1 | P3HT/PC61BM = 1:1 | 0.72 | 8.30 | 45.5 | 2.81 |
표 1에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 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.
도 9는 제조예 1에 따라 제작된 공중합체 1을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 10은 제조예 2에 따라 제작된 공중합체 2을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 11은 제조예 3에 따라 제작된 공중합체 3을 이용한 유기 태양전지 소자의 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
Claims (25)
- 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 A 단위;
하기 화학식 4로 표시되는 B 단위; 및
하기 화학식 5로 표시되는 C 단위를 포함하는 공중합체:
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
화학식 1 내지 5에 있어서,
w, x, y 및 z는 각각 0 내지 2의 정수이고,
X1 내지 X6 및 X2'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되고,
Y1 내지 Y3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR로 이루어진 군에서 선택되고,
R 및 R'는 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하며,
R1 내지 R5 및 R7은 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하고,
R6는 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다. - 청구항 1에 있어서,
상기 X1 내지 X4, X6 및 X2'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 S, O 또는 Se인 것인 공중합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 A 단위는 하기 화학식 11, 21 또는 31로 표시되는 것인 공중합체:
[화학식 11]
[화학식 21]
[화학식 31]
화학식 11, 21 및 31에 있어서,
X1 내지 X4, X2', R1 내지 R4 는 화학식 1 내지 3에서 정의한 바와 동일하고,
R1'는 R1의 정의와 동일하며,
R2'는 R2의 정의와 동일하고,
R3'는 R3의 정의와 동일하고,
R4'는 R4의 정의와 동일하다. - 청구항 1에 있어서,
상기 X5 는 NR 또는 S 이고,
상기 Y1 및 Y2는 N이고,
상기 R은 청구항 1에서 정의한 바와 동일한 것인 공중합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 R5 및 R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기; 또는 치환 또는 비치환된 알콕시기인 것인 공중합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 X5 는 NR 또는 S 이고,
상기 Y1 및 Y2는 N이며,
상기 R은 청구항 1에서 정의한 바와 동일하고,
상기 R5 및 R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기 또는 치환 또는 비치환된 알콕시기인 것인 공중합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 X6는 S, O 또는 Se이고,
상기 Y3는 N이며,
상기 R7은 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기인 것인 공중합체. - 청구항 1에 있어서,
고리원 탄소수가 3 내지 30인 치환 또는 비치환된 아릴기 및 치환 또는 비치환된 헤테로 고리기로 이루어진 군에서 1 또는 2 이상을 포함하는 D 단위를 더 포함하는 것인 공중합체. - 청구항 8에 있어서,
상기 D 단위는 하기 화학식 중 1 또는 2 이상을 포함하는 것인 공중합체:
a는 0 내지 4의 정수이고,
b는 0 내지 6의 정수이며,
c는 0 내지 8의 정수이고,
d 및 e는 각각 0 내지 3의 정수이며,
R8 내지 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성할 수 있고,
X7 내지 X9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되며,
Y4 내지 Y7는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR로 이루어진 군에서 선택되고,
R 및 R'는 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다. - 청구항 1에 있어서,
상기 공중합체는 랜덤 공중합체(random copolymer), 교대 공중합체(alternative copolymer), 블록 공중합체(block copolymer), 그라프트 공중합체(graft copolymer) 및 별모양 공중합체(starblock copolymer)로 이루어진 군에서 선택되는 것인 공중합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 공중합체는 랜덤 공중합체인 것인 공중합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 공중합체는 하기 화학식 6으로 표시되는 것을 포함하는 공중합체:
[화학식 6]
화학식 6에 있어서,
l는 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이고,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이며, l+m = 1이고,
n은 1 ~ 10,000의 정수이며,
A 및 A'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나이고,
B는 상기 화학식 4이며,
C는 상기 화학식 5이다. - 청구항 1에 있어서,
상기 공중합체는 하기 화학식 7로 표시되는 것을 포함하는 공중합체:
[화학식 7]
화학식 7에 있어서,
n은 1 ~ 10,000의 정수이며,
A 및 A'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나이고,
B는 상기 화학식 4이며,
C는 상기 화학식 5이다. - 청구항 1에 있어서,
상기 공중합체는 하기 화학식 8로 표시되는 것을 포함하는 공중합체:
[화학식 8]
화학식 8에 있어서,
l는 몰분율로서, 0 < l < 1인 실수이고,
m은 몰분율로서, 0 < m < 1인 실수이며,
o는 몰분율로서, 0 ≤ m < 1인 실수이고,
l+m+o = 1이며,
n은 1 ~ 10,000의 정수이고,
A 및 A'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나이며,
B는 상기 화학식 4이고,
C는 상기 화학식 5이며,
D는 하기 화학식 중 1 또는 2 이상을 포함하고,
a는 0 내지 4의 정수이고,
b는 0 내지 6의 정수이며,
c는 0 내지 8의 정수이고,
d 및 e는 각각 0 내지 3의 정수이며,
R8 내지 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성할 수 있고,
X7 내지 X9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되며,
Y4 내지 Y7는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR로 이루어진 군에서 선택되고,
R 및 R'는 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 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다. - 청구항 1에 있어서,
상기 A 단위는 공중합체의 전체 함량 중 50몰% 이상 100몰% 미만이고,
상기 B + C단위는 공중합체의 전체 함량 중 0 몰% 초과 50 몰% 이하이며,
C 단위에 대한 B 단위의 비율은 0.01 초과 1이하인 것인 공중합체. - 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공중합체의 말단기는 4-(트리플루오로메틸)페닐기(4-(trifluoromethyl)phenyl)인 공중합체. - 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공중합체의 수평균 분자량은 500 내지 1,000,000g/mol인 공중합체. - 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공중합체의 분자량 분포는 1 내지 100인 공중합체. - 제1 전극; 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되고, 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 청구항 1 내지 15 중 어느 하나의 항에 따른 공중합체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
- 청구항 19에 있어서,
상기 유기물층은 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층을 포함하고,
상기 정공 수송층, 정공 주입층 또는 정공 수송과 정공 주입을 동시에 하는 층은 상기 공중합체를 포함하는 유기 태양 전지. - 청구항 19에 있어서,
상기 유기물층은 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층을 포함하고,
상기 전자주입층, 전자 수송층 또는 전자 주입과 전자 수송을 동시에 하는 층은 상기 공중합체를 포함하는 유기 태양 전지. - 청구항 19에 있어서,
상기 유기물층은 광활성층이고,
상기 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함하고,
상기 전자 주개 물질은 상기 공중합체인 유기 태양 전지. - 청구항 22에 있어서,
상기 전자 받개는 플러렌, 플러렌 유도체, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 튜브 유도체, 바소쿠프로인, 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 태양 전지. - 청구항 22에 있어서,
상기 공중합체와 상기 전자 받개간의 혼합비율이 1:0.5 ∼ 1:4의 중량비인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지. - 청구항 22에 있어서,
상기 전자 주개 및 전자 받개는 벌크 헤테로 정션(BHJ)인 것인 유기 태양 전지.
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