WO2014182139A1 - 광활성층, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

광활성층, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2014182139A1
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surface energy
photoactive layer
solar cell
electron acceptor
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최정민
문병준
이강영
이재철
박태호
이행근
김진석
장송림
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주식회사 엘지화학
포항공과대학교 산학렵력단
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Definitions

  • the present specification relates to a photoactive layer, an organic solar cell including the same, and a method of manufacturing the same.
  • the types of solar cells known to date include solar cells using monocrystalline or polycrystalline bulk silicon, thin film solar cells using amorphous, microcrystalline, or polycrystalline silicon, compound semiconductor solar cells, fuel-sensitized solar cells, and organic polymer solar cells. Very diverse
  • Organic thin film solar cell technology converts solar energy into electrical energy using polymer or low molecular organic semiconductor. Its thin-film device, large-area device, and roll- It is a next-generation technology with both ultra-low cost and versatile mass production specifications such as flexible elements by a roll-to-roll method.
  • an organic solar cell typically includes a photoactive layer having a junction structure of an electron donor and an electron acceptor material.
  • US Patent Publication No. 2006-0011233 discloses poly-3-hexylthiophene (P3HT) as an electron donor and [6,6] -phenyl-C61-butyl acid methyl ester as an electron acceptor. 6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), and an organic solar cell in which a photoactive layer is introduced by spin coating are disclosed, but their energy conversion efficiency is not so high.
  • P3HT poly-3-hexylthiophene
  • PCBM -phenyl-C61-butyric acid methyl ester
  • the present specification relates to a photoactive layer, an organic solar cell including the same, and a method of manufacturing the same.
  • the photoactive layer comprises a compound comprising an electron acceptor, an electron donor and a functional group that reduces surface energy.
  • a photoactive layer including an electron acceptor and an electron donor, wherein the photoactive layer further includes a compound further comprising a functional group for reducing surface energy of the electron acceptor.
  • preparing a substrate Forming a first electrode in one region of the substrate; Forming an organic material layer including a photoactive layer on the first electrode; And forming a second electrode on the organic layer, wherein the photoactive layer comprises an electron acceptor, an electron donor, and a compound including a functional group that reduces surface energy of the electron acceptor.
  • the photoactive layer comprises an electron acceptor, an electron donor, and a compound including a functional group that reduces surface energy of the electron acceptor.
  • the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification introduces a compound including a functional group to reduce the surface energy of the electron acceptor in the photoactive layer, thereby uniformly distributing the electron acceptor and the electron donor in the photoactive layer.
  • the morphology of the photoactive layer can be adjusted, so that the short circuit current density and fill factor can be increased. Therefore, an organic solar cell of high efficiency can be provided.
  • 1 is a view showing the relative ratio of sulfur / oxygen atoms on the surface of the P3HT / PCB film according to the content of the compound containing a functional group to reduce the surface energy of the electron acceptor.
  • the photoactive layer comprises a compound comprising an electron acceptor, an electron donor and a functional group that reduces surface energy.
  • the electron donor generally has a negatively charged or unshared electron pair, and means to donate an electron to a portion lacking a positive charge or an electron pair.
  • electron donors can transfer electrons to electron acceptors with high electronegativity due to the rich electron-retaining properties of the molecules themselves, even if they are negatively charged but do not have unshared pairs of electrons.
  • an electron acceptor means to accept electrons from an electron donor.
  • the surface energy means a surface tension of a solid, and may be calculated by measuring a contact angle by dropping a specific solvent.
  • the method of obtaining surface energy by measuring a contact angle is a method generally used in the art.
  • the compound including the functional group that reduces the surface energy does not bind with the electron acceptor or the electron donor, and thus does not affect the function of the electron donor or the electron acceptor.
  • the compound containing a functional group to reduce the surface energy does not affect the function of the electron acceptor or electron donor.
  • compounds containing functional groups that reduce the surface energy do not serve to accept or donate electrons and reduce surface energy.
  • the compound including the functional group to reduce the surface energy has affinity with the electron acceptor, compared to the electron donor, it is possible to selectively reduce the surface energy of the electron acceptor.
  • the compound including a functional group for reducing the surface energy reduces the surface energy of the electron acceptor.
  • the surface energy of the electron acceptor When the surface energy of the electron acceptor is selectively reduced, the surface energy is relatively low, thereby preventing the electron donor from being concentrated on the surface of the photoactive layer.
  • the electron acceptor and the electron donor can be uniformly distributed in the photoactive layer, thereby providing an appropriate morphology of the photoactive layer. In this case, a high efficiency organic solar cell can be provided.
  • the surface energy of the electron acceptor when the compound containing a functional group for reducing the surface energy is added, the surface energy of the electron acceptor is different by 0.1% to 30% relative to the surface energy of the electron donor.
  • the compound including a functional group that reduces the surface energy is a solid compound at room temperature, and remains in the photoactive layer even after the photoactive layer is prepared.
  • the compound including the functional group for reducing the surface energy does not act as a solvent for dissolving the electron acceptor and the electron donor.
  • the compound containing a functional group that reduces the surface energy remains in the photoactive layer, thereby uniformly distributing the electron acceptor and the electron donor, thereby controlling the morphology of the photoactive layer.
  • the compound including a functional group that reduces the surface energy is 0.25% by weight to 1% by weight relative to the weight of the electron acceptor.
  • the surface energy of the electron acceptor can be adjusted similarly to the surface energy of the electron donor. Therefore, the surface energy difference between the electron acceptor and the electron donor may be reduced, and thus the surface roughness of the photoactive layer may be reduced by uniformly distributing the electron acceptor and the electron donor in the photoactive layer.
  • 1 is a view showing the relative ratio of sulfur / oxygen atoms on the surface of the P3HT / PCB film according to the content of the compound containing a functional group to reduce the surface energy of the electron acceptor.
  • the ratio of sulfur atoms in P3HT and oxygen atoms in PCBM was measured by Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS).
  • the film surface of the photoactive layer which does not contain a compound containing a functional group that reduces surface energy, has a ratio of about two times the sulfur / oxygen atom. This can confirm that the electron donor (P3HT) is present on the surface. It can be seen that the ratio of sulfur / oxygen decreases when it contains a compound containing a functional group that reduces surface energy.
  • compounds containing functional groups that reduce surface energy may be found to have a similar content of sulfur and oxygen on the surface of the photoactive layer within the range of 0.25 wt% to 1 wt%. This may prove that the electron acceptor and the electron donor are uniformly distributed.
  • the functional group for reducing the surface energy contains at least one fluorine group (F).
  • the functional group for reducing the surface energy includes a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, wherein the alkyl group is substituted with at least one fluorine group.
  • the compound including a functional group to reduce the surface energy provides a compound represented by the following formula (1).
  • Ar is a substituted or unsubstituted aryl group; Or a substituted or unsubstituted heterocyclic group,
  • L is a direct bond; Substituted or unsubstituted divalent amide group; Substituted or unsubstituted alkylene group; Substituted or unsubstituted arylene group; Or a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group containing one or more of N, O and S atoms,
  • R is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms substituted with at least one fluorine group.
  • Ar is a substituted or unsubstituted naphthyl group.
  • Ar is a substituted or unsubstituted fluorenyl group.
  • Ar is a substituted or unsubstituted phenyl group.
  • L is a substituted or unsubstituted divalent amide group.
  • L is a substituted or unsubstituted alkylene group.
  • L is an alkylene group substituted with a fluorine group.
  • L is a direct bond
  • R is an alkyl group substituted with at least one fluorine group.
  • R is a heptafluoropropyl group.
  • R is a nonafluorobutyl group.
  • the compound represented by Chemical Formula 1 provides a compound represented by any one of the following Chemical Formulas 1-1 to 1-5, but is not limited thereto.
  • a, b and d are each an integer of 0 to 7,
  • c and e are each an integer of 0 to 5
  • R 1 to R 5 , R ′ and R ′′ are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; a substituted or unsubstituted alkyl group; a substituted or unsubstituted alkoxy group; a substituted or unsubstituted alkenyl group; a substituted or unsubstituted Or an aryl group or a substituted or unsubstituted heterocyclic group including one or more of N, O, and S atoms.
  • substituted or unsubstituted is halogen, nitrile, nitro, hydroxy, alkyl, cycloalkyl, alkenyl, alkoxy, aryloxy, thiol, alkylthio, allylthio, sulfoxy, Alkyl sulfoxy, aryl sulfoxy, silyl, boron, arylamine, aralkylamine, alkylamine, aryl, fluorenyl, carbazole, arylalkyl, arylalkenyl, heterocyclic and acetylene groups It means that it is substituted with one or more substituents selected from the group consisting of, or does not have any substituents.
  • the heterocyclic group is a heterocyclic group containing O, N or S as a hetero atom, and the carbon number is not particularly limited, but is preferably 2-60 carbon atoms.
  • the heterocyclic group are thiophene group, furan group, pyrrole group, imidazole group, thiazole group, oxazole group, oxadiazole group, triazole group, pyridyl group, bipyridyl group, triazine group, acridil group, pyridazine group , Quinolinyl group, isoquinoline group, indole group, carbazole group, benzoxazole group, benzoimidazole group, benzothiazole group, benzocarbazole group, benzothiophene group, dibenzothiophene group, benzofuranyl group, dibenzofuran And the like, but are not limited thereto.
  • the alkyl group may be linear, branched or cyclic.
  • carbon number of an alkyl group is not specifically limited, It is preferable that it is C1-C25.
  • methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, n-butyl group, sec-butyl group, t-butyl group, n-pentyl group, iso-pentyl group, neo-pentyl group, n-hex It may be a real group, a cyclopropyl group, a cyclobutyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, etc., but is not limited thereto.
  • the alkenyl group may be linear or branched, preferably an alkenyl group having 2 to 40 carbon atoms, and specifically, an alkenyl substituted with an aryl group such as stilbenyl, styrenyl, or the like. Groups are preferred but not limited to these.
  • the alkoxy group may be linear, branched or cyclic. Although carbon number of an alkoxy group is not specifically limited, It is preferable that it is C1-C25. Specifically, it may be a methoxy group, ethoxy group, n-propyloxy group, iso-propyloxy group, n-butyloxy group, cyclopentyloxy group and the like, but is not limited thereto.
  • the aryl group may be a monocyclic aryl group or a polycyclic aryl group, and includes a case where an alkyl group having 1 to 25 carbon atoms or an alkoxy group having 1 to 25 carbon atoms is substituted.
  • the aryl group in the present specification may mean an aromatic ring.
  • the aryl group is a monocyclic aryl group
  • carbon number is not particularly limited, but preferably 6 to 25 carbon atoms.
  • the monocyclic aryl group may be a phenyl group, biphenyl group, terphenyl group, stilbenyl group and the like, but is not limited thereto.
  • Carbon number is not particularly limited when the aryl group is a polycyclic aryl group. It is preferable that it is C10-24.
  • the polycyclic aryl group may be naphthyl group, anthryl group, phenanthryl group, pyrenyl group, perylenyl group, chrysenyl group, fluorenyl group, etc., but is not limited thereto.
  • the amide group may be substituted with one or two nitrogen atoms of an amide group, hydrogen, a linear, branched or cyclic alkyl group having 1 to 25 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 25 carbon atoms. Specifically, it may be a compound of the following structural formula, but is not limited thereto.
  • a divalent amide group, an arylene group, or a divalent heterocyclic group means that there are two bonding positions in the amide group, the aryl group, and the heterocyclic group, respectively.
  • the description of the above-described amide group, aryl group, heterocyclic group can be applied except that they are each divalent group.
  • the electron acceptor is a fullerene derivative or a nonfullerene derivative.
  • the fullerene derivative is selected from the group consisting of a C 60 fullerene derivative, a C 70 fullerene derivative, a C 76 fullerene derivative, a C 78 fullerene derivative, a C 84 fullerene derivative, and a C 90 fullerene derivative.
  • the nonfullerene derivative has an LUMO energy level of -2.0 to -6.0 eV. In another exemplary embodiment, the nonfullerene derivative has a LUMO energy level of -2.5 to -5.0 eV. In another exemplary embodiment, the nonfullerene derivative has an LUMO energy level of -3.5 to -4.5 eV.
  • the electron acceptor is [6,6] -phenyl C-butyric acid methyl ester (PCBM).
  • the electron donor is poly (3-hexylthiophene) (P3HT).
  • the electron acceptor and the electron donor of the photoactive layer may form a bulk hetero junction (BHJ).
  • BHJ bulk hetero junction
  • the thickness of the photoactive layer is 60 nm to 300 nm.
  • the thickness of the photoactive layer means a width between one surface of the photoactive layer and the surface opposite thereto.
  • the surface roughness of the photoactive layer provides an organic solar cell having a reduction of 30% to 55% as compared with the case of not including a compound including a functional group that reduces surface energy.
  • the surface roughness of the photoactive layer is affected by the heat treatment temperature of the photoactive layer. Surface roughness is measured herein using atomic force microscopy (AFM).
  • roughness refers to an irregular component in which the inherent properties of the photoactive layer manufacturing process left on the surface are present on the surface.
  • the surface roughness of the surface of the photoactive layer may cause high contact resistance.
  • the surface roughness may be reduced by adding a compound including a functional group that reduces surface energy, thereby reducing the domain size of the electron donor and the electron acceptor.
  • the surface energy of the electron acceptor may be reduced by 15% to 55% as compared to the case where the compound containing the functional group for reducing the surface energy is not included.
  • the surface energy of the electron acceptor herein is 30 mN / m to 48 mN / m.
  • the weight ratio of the electron donor and the electron acceptor is 1: 0.5 to 1: 5.
  • the organic solar cell further includes at least one of a hole transport layer and a hole injection layer between the first electrode and the photoactive layer.
  • the organic solar cell further includes an electron transport layer between the second electrode and the photoactive layer.
  • the organic solar cell further includes an electron transport layer or a hole transport layer between the second electrode and the photoactive layer.
  • a photoactive layer including an electron acceptor and an electron donor, wherein the photoactive layer further includes a compound including a functional group for reducing surface energy.
  • the compound including a functional group for reducing the surface energy reduces the surface energy of the electron acceptor.
  • the compound containing a functional group for reducing the surface energy of the electron acceptor is 0.25% by weight to 1% by weight relative to the weight of the electron acceptor.
  • the surface roughness of the photoactive layer is reduced by 30% to 55% compared to the case that does not contain a compound containing a functional group to reduce the surface energy.
  • the surface energy of the electron acceptor is reduced by 15% to 55% compared to the case that does not contain a compound containing a functional group to reduce the surface energy.
  • the surface energy of the electron acceptor is different by 0.1% to 30% with respect to the surface energy of the electron donor.
  • the first electrode may be an anode electrode or a cathode electrode.
  • the second electrode may be a cathode electrode and may be an anode electrode.
  • the organic solar cell may be arranged in the order of the anode electrode, the photoactive layer and the cathode electrode, and may be arranged in the order of the cathode electrode, the photoactive layer and the anode electrode, but is not limited thereto.
  • the organic solar cell may be arranged in order of an anode electrode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a cathode electrode, and in order of a cathode electrode, an electron transport layer, a photoactive layer, a hole transport layer, and an anode electrode. It may be arranged, but is not limited thereto.
  • the organic solar cell may be arranged in order of an anode electrode, a buffer layer, a photoactive layer, and a cathode electrode.
  • preparing a substrate Forming a first electrode in one region of the substrate; Forming an organic material layer including a photoactive layer on the first electrode; And forming a second electrode on the organic material layer, wherein the photoactive layer includes a compound including an electron acceptor, an electron donor, and a functional group that reduces surface energy of the electron acceptor. It provides a method for producing a solar cell.
  • the compound containing a functional group for reducing the surface energy of the electron acceptor is 0.25% by weight to 1% by weight relative to the weight of the electron acceptor.
  • the organic solar cell of the present specification may be manufactured by materials and methods known in the art, except that the photoactive layer includes a compound including a functional group that reduces surface energy.
  • 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 the substrate may be any substrate commonly used in organic solar cells. Specifically, there are glass or polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polypropylene (PP), polyimide (PI), and triacetyl cellulose (TAC). It is not limited to this.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PP polypropylene
  • PI polyimide
  • TAC triacetyl cellulose
  • the anode electrode may be a transparent and excellent conductive material, 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), indium zinc oxide (IZO); ZnO: Al or SNO 2 : 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, and the like, but are not limited thereto.
  • the method of forming the anode electrode is not particularly limited, but is applied to one surface of the substrate or coated in a film form using, for example, sputtering, E-beam, thermal deposition, spin coating, screen printing, inkjet printing, doctor blade or gravure printing. It can be formed by.
  • the anode electrode When the anode electrode is formed on the substrate, it may be subjected to cleaning, water removal, and hydrophilic modification.
  • the patterned ITO substrate is sequentially cleaned with a detergent, acetone, isopropyl alcohol (IPA), and then dried in a heating plate for 1 to 30 minutes at 100 to 150 ° C., preferably at 120 ° C. for 10 minutes to remove moisture.
  • IPA isopropyl alcohol
  • the surface of the substrate is modified to be hydrophilic.
  • the bonding surface potential can be maintained at a level suitable for the surface potential of the photoactive layer.
  • Pretreatment techniques for anode electrodes include a) surface oxidation using parallel planar discharges, b) oxidation of surfaces through ozone generated using UV ultraviolet light in a vacuum, and c) oxygen radicals generated by plasma. And oxidation using the same method.
  • One of the above methods can be selected depending on the state of the anode electrode or the substrate. In any case, however, it is desirable to prevent oxygen escape from the surface of the anode electrode or the substrate and to minimize the residual of moisture and organic matter in common. At this time, the substantial effect of the pretreatment can be maximized.
  • a method of oxidizing a surface through ozone generated using UV may be used.
  • the patterned ITO substrate is baked on a hot plate and dried well, then put into a chamber, and a UV lamp is activated to cause oxygen gas to react with UV light.
  • the patterned ITO substrate can be cleaned.
  • the surface modification method of the patterned ITO substrate in this specification does not need to be specifically limited, Any method may be used as long as it is a method of oxidizing a substrate.
  • the cathode 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; LiF / Al, LiO 2 / Al, LiF / Fe, Al: Li, Al: BaF 2 , Al: BaF 2
  • It may be a material of a multi-layer structure such as, but is not limited thereto.
  • the cathode electrode may be formed by being deposited in a thermal evaporator showing a vacuum degree of 5 ⁇ 10 ⁇ 7 torr or less, but is not limited thereto.
  • the hole transport layer and / or electron transport layer material plays a role of efficiently transferring electrons and holes separated in 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); Tungsten oxide (WO x ), and the like, but is not limited thereto.
  • PSS Poly (3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly (styrenesulfonic acid)
  • MoO x molybdenum oxide
  • V 2 O 5 Vanadium oxide
  • NiO Nickel oxide
  • WO x Tungsten oxide
  • the electron transport layer material may be electron-extracting metal oxides, specifically, a metal complex of 8-hydroxyquinoline; Complexes including Alq 3 ; Metal complexes including Liq; LiF; Ca; Titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); And cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), and the like, but is not limited thereto.
  • metal oxides specifically, a metal complex of 8-hydroxyquinoline; Complexes including Alq 3 ; Metal complexes including Liq; LiF; Ca; Titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); And cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), and the like, but 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 spin coating, dip coating, screen printing, spray coating, doctor blade, brush painting, or the like. It is not limited to the method.
  • a photoactive material such as an electron donor and / or an electron acceptor
  • the surface energy was determined by measuring contact angles for two solvents of ionic water and glycerol.
  • the surface energy of the electron donor is 32.3 mN / m (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide)
  • 2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide is added in an amount of 0.25 wt% to 1 wt%, it can be seen that the surface energy is similar to that of the electron donor. Since the surface energy of the electron donor and the electron acceptor are similar, the electron donor and the electron acceptor may have a uniform distribution in the photoactive layer.
  • the change of the surface roughness of the photoactive layer according to the addition amount of the surface energy is shown in Table 2 below.
  • the roughness was measured using Atomic Force Microscopy (AFM).
  • the photoactive layer including the electron donor (P3HT) and the electron acceptor (PCBM) has a large domain size after heat treatment, thereby reducing the contact area between the electron acceptor and the electron donor.
  • the ratio of sulfur atoms in the electron donor (P3HT) and oxygen atoms in the electron acceptor (PCBM) was determined by Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS).
  • 1 is a view showing the relative ratio of sulfur / oxygen atoms on the surface of the P3HT / PCB film according to the content of the compound containing a functional group to reduce the surface energy of the electron acceptor.
  • the film surface of the photoactive layer which does not contain a compound containing a functional group that reduces surface energy, has a ratio of about two times the sulfur / oxygen atom. This can confirm that the electron donor (P3HT) is present on the surface. It can be seen that the ratio of sulfur / oxygen decreases when it contains a compound containing a functional group that reduces surface energy.
  • PEDOT poly (4-styrenesulfonate)
  • IPA isopropyl alcohol
  • the electron donor was poly (3-hexylthiophene) (Poly-3-hexylthiophene (P3HT)) and the electron acceptor was [6,6] -phenyl C60-butyric acid methyl ester (PCBM). 2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide (2,2,3,3) in a photoactive layer material in which P3HT and PCBM 60 were mixed in a 1: 1 weight ratio.
  • the optical short-circuit current density (J sc ), photo-opening voltage (V oc ), fill factor (FF), and energy conversion efficiency of the organic solar cell are shown in Table 3 below.
  • the content refers to the content of 2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide relative to the electron acceptor (PCBM), and J sc is the short-circuit current density, FF Is the fill factor and PCE is the photoelectric conversion efficiency.
  • the open-circuit and short-circuit currents are the X- and Y-axis intercepts in the four quadrants of the voltage-current density curve, respectively. The higher these two values, the higher the efficiency of the solar cell.
  • the fill factor is the area of the rectangle drawn inside the curve divided by the product of the short circuit current and the open voltage. By dividing these three values by the intensity of the emitted light, the energy conversion efficiency can be determined, and higher values are preferable.
  • the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 1 was higher than that of 3.2%, in Examples 1 to 6 to which a compound containing a functional group for reducing surface energy was added.
  • the photoelectric conversion efficiency is increased by about 25% or more.
  • the short-circuit current density also increases when a compound containing a functional group that reduces surface energy is added.

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Abstract

본 발명은 전자수용체, 전자공여체 및 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 광활성층, 이를 포함하는 유기 태양전지 및 이의 제조방법에 관한것으로, 본 발명에 다른 유기 태양 전지는 광활성층 내부에 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 도입하여, 광활성층 내부의 전자수용체 및 전자공여체를 균일하게 분포시킨다.

Description

광활성층, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법
본 명세서는 광활성층, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 명세서는 2013년 5월 10일에 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2013-0053376호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용은 전부 본 명세서에 포함된다.
태양전지는 공해가 없다는 장점 때문에 지구환경 보존의 관점에서 재평가되고 있으며, 세대 청정에너지원으로서의 연구가 활발히 이루어지고 있다.
현재까지 알려진 태양전지의 종류에는 단결정 또는 다결정 벌크 실리콘을 이용한 태양전지, 비정질, 미결정질, 또는 다결정질 실리콘을 이용한 박막형 태양전지를 비롯하여 화합물 반도체 태양전지, 연료감응형 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등 매우 다양하다.
종래 상용화된 단결정 벌크(bulk) 실리콘을 이용한 태양전지는 높은 제조단가 및 설치비용 때문에 적극적인 활용이 이루지지 못하고 있다.
이러한 비용문제를 해결하기 위하여 유기물을 이용한 박막형 태양전지에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 고효율 태양전지를 제조하기 위한 여러 가지 시도들이 제안되고 있다.
유기박막 태양전지 기술은 고분자 혹은 저분자 유기 반도체를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 기술로, 유기물의 가장 큰 장점인 저렴한 비용과 제조공정의 용이성을 바탕으로 박막형 소자, 대면적 소자, 롤-투-롤(roll-to-roll) 방법 등에 의한 유연성(flexible) 소자 등 초저가, 다용도의 대량 생산 특정을 모두 갖춘 차세대 기술이다.
통상적으로, 유기태양전지는 전자공여체(electron donor)와 전자수여체(electron acceptor) 물질의 접합구조의 광활성층을 포함한다.
이러한 광활성층에 빛이 입사되면 전자공여체에서 전자와 정공쌍이 여기되고 전자가 전자수용체로 이동함으로써 전자와 정공의 분리가 일어난다. 따라서, 빛에 의해 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되는 현상을 거쳐 외부회로로 이동함에 따라 전력을 생산하게 된다.
상기와 같은 이유로, 최근에는 값이 싸면서도 유연기판에 적용할 수 있는 벌크 헤테로정션(bulk heterojunction) 유기태양전지에 대한 관심이 좋아지고 있다.
미국공개특허 제2006-0011233호에는 전자공여체로서 폴리-3-헥실티오펜(poly(3-hexylthiophene); P3HT)과, 전자수용체로 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM)을 사용하고, 스핀코팅법으로 광활성층이 도입된 유기태양전지가 개시되어 있지만, 이들의 에너지 변환효율이 그리 높지 않다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국 공개 특허공보 제2007-0101430호
본 명세서는 광활성층, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극; 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 광활성층을 포함하는 유기 태양 전지로서, 상기 광활성층은 전자수용체, 전자공여체 및 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 전자수용체 및 전자공여체를 포함하는 광활성층으로서, 상기 광활성층은 상기 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 더 포함하는 화합물을 포함하는 것인 광활성층을 제공한다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 일 영역에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상부에 광활성층을 포함하는 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 광활성층은 전자수용체, 전자공여체 및 상기 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지는 광활성층 내부에 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 도입하여, 광활성층 내부의 전자수용체 및 전자공여체를 균일하게 분포시킨다. 이 경우, 광활성층의 모폴로지를 조절할 수 있어, 단락 전류밀도, 필 팩터가 증가될 수 있다. 따라서, 높은 효율의 유기 태양 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물의 함량에 따른 P3HT/PCBM 필름 표면의 황/산소원자의 상대 비율을 나타낸 도이다.
이하 본 명세서를 상세히 설명한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극; 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 광활성층을 포함하는 유기 태양 전지로서, 상기 광활성층은 전자수용체, 전자공여체 및 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
본 명세서에서 전자공여체는 일반적으로 음전하 또는 비공유 전자쌍을 가지는 것으로, 양전하 또는 전자쌍이 결여된 부분에 전자를 공여하는 것을 의미한다. 추가로 전자공여체는 음전하나 비공유 전자쌍을 가지지 않더라도 전자수용체와 섞인 상태에서 빛을 받았을 시에 분자 자체의 풍부한 전자 보유 성질로 인하여 전기 음성도가 큰 전자수용체로 전자(excited electron)를 전달할 수 있는 것을 포함한다.
본 명세서에서 전자수용체는 전자공여체로부터 전자를 받아들이는 것을 의미한다.
본 명세서에서 상기 표면 에너지란 고체의 표면 장력을 의미하며, 특정 용매를 떨어뜨려 접촉각을 측정하여 계산될 수 있다. 접촉각을 측정하여 표면에너지를 구하는 방법은 당업계에서 일반적으로 사용되는 방법이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자수용체 또는 전자공여체와 결합하지 않으므로, 전자공여체 또는 전자수용체의 기능에 영향을 끼치지 않는다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자수용체 또는 전자공여체의 기능에 영향을 끼치지 않는다. 또한, 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자를 수용하거나 공여하는 역할을 하지 않고, 표면 에너지를 감소시킨다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자공여체에 비하여, 전자수용체와 친화력이 있으므로, 전자수용체의 표면 에너지를 선택적으로 감소시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자수용체의 표면 에너지를 감소시킨다.
상기 전자수용체의 표면 에너지를 선택적으로 감소시키는 경우, 상대적으로 표면 에너지가 낮아, 광활성층 표면에 전자공여체가 밀집되는 현상을 방지한다. 또한, 전자수용체와 전자공여체의 표면 에너지 차이를 줄여, 광활성층 내부에 전자수용체 및 전자공여체가 균일하게 분포할 수 있게 되어 적절한 광활성층의 모폴로지를 제공할 수 있다. 이 경우, 고효율의 유기 태양 전지를 제공할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 넣은 경우, 상기 전자수용체의 표면 에너지는 상기 전자공여체의 표면 에너지에 대하여 0.1 % 내지 30 %만큼 차이난다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 상온에서 고체 화합물이며, 광활성층을 제조한 후에도 광활성층 내부에 잔여한다.
즉 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자수용체 및 전자공여체를 녹이는 용매로 작용하지 않는다.
상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 광활성층 내부에 잔여하여, 전자수용체 및 전자공여체를 균일하게 분포시켜, 광활성층의 모폴로지를 조절하는 역할을 한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 상기 전자수용체의 중량 대비 0.25 중량% 내지 1 중량%이다.
상기 범위에서는 전자수용체의 표면 에너지를 전자공여체의 표면 에너지와 유사하게 조절할 수 있다. 따라서, 전자수용체와 전자공여체의 표면 에너지 차이를 줄이게 되어, 광활성층 내부의 전자수용체와 전자공여체를 균일하게 분포시켜 광활성층의 표면 거칠기를 감소하는 효과를 줄 수 있다.
도 1은 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물의 함량에 따른 P3HT/PCBM 필름 표면의 황/산소원자의 상대 비율을 나타낸 도이다.
구체적으로 P3HT 내의 황 원자와 PCBM 내의 산소 원자 비율을 2차 이온 질량 분석법(Secondary Ion Mass Spectroscopy: SIMS)로 측정하였다.
도 1에서 보는 바와 같이, 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하지 않는 광활성층의 필름 표면은 황/산소 원자의 비율이 약 2배에 가깝다. 이는 표면에 전자공여체(P3HT)가 존재함을 확인할 수 있다. 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 경우 황/ 산소의 비율이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드(2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide))를 0.25 중량% 내지 1 중량% 범위 내에서 광활성층 표면의 황과 산소의 함량이 유사함을 확인할 수 있다. 이는 전자수용체와 전자공여체가 균일하게 분포하는 것을 증명할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기는 적어도 하나의 플루오르기(F)를 함유한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기는 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기를 포함하고, 상기 알킬기는 적어도 하나의 플루오르기가 치환된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2014004220-appb-I000001
화학식 1에 있어서,
Ar은 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이고,
L은 직접결합; 치환 또는 비치환된 2가의 아미드기; 치환 또는 비치환된 알킬렌기; 치환 또는 비치환된 아릴렌기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기이며,
R은 적어도 하나의 플루오르기로 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 치환 또는 비치환된 나프틸기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 치환 또는 비치환된 플루오레닐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 치환 또는 비치환된 페닐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 치환 또는 비치환된 2가의 아미드기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 치환 또는 비치환된 알킬렌기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 플루오르기로 치환된 알킬렌기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 직접결합이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 적어도 하나의 플루오르기로 치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 헵타플루오로프로필기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 노나플루오로부틸기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-5 중 어느 하나로 표시되는 화합물을 제공하나, 이에 한정되지 않는다.
[화학식 1-1]
Figure PCTKR2014004220-appb-I000002
[화학식 1-2]
Figure PCTKR2014004220-appb-I000003
[화학식 1-3]
Figure PCTKR2014004220-appb-I000004
[화학식 1-4]
Figure PCTKR2014004220-appb-I000005
[화학식 1-5]
Figure PCTKR2014004220-appb-I000006
화학식 1-1 내지 1-5에 있어서,
a, b 및 d는 각각 0 내지 7의 정수이고,
c 및 e는 각각 0 내지 5의 정수이며,
R1 내지 R5, R' 및 R"는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 "치환 또는 비치환"은 할로겐기, 니트릴기, 니트로기, 히드록시기, 알킬기, 시클로알킬기, 알케닐기, 알콕시기, 아릴옥시기, 티올기, 알킬티오기, 알릴티오기, 술폭시기, 알킬술폭시기, 아릴술폭시기, 실릴기, 붕소기, 아릴아민기, 아랄킬아민기, 알킬아민기, 아릴기, 플루오레닐기, 카바졸기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로고리기 및 아세틸렌기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나, 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 헤테로고리기는 이종원자로 O, N 또는 S를 포함하는 헤테로고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 탄소수 2-60인 것이 바람직하다. 헤테로고리기의 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, 디벤조퓨란기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 알킬기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다.
알킬기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, sec-부틸기, t-부틸기, n-펜틸기, iso-펜틸기, neo-펜틸기, n-헥실기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 알케닐기로는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수 2 내지 40의 알케닐기가 바람직하며, 구체적으로 스틸베닐기(stylbenyl), 스티레닐기(styrenyl) 등의 아릴기가 치환된 알케닐기가 바람직하나 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메톡시기, 에톡시기, n-프로필옥시기, iso-프로필옥시기, n-부틸옥시기, 시클로펜틸옥시기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴기는 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있으며, 탄소수 1 내지 25의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 25의 알콕시기가 치환되는 경우를 포함한다. 또한, 본 명세서 내에서의 아릴기는 방향족고리를 의미할 수 있다.
상기 아릴기가 단환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기, 스틸베닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아릴기가 다환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나. 탄소수 10 내지 24인 것이 바람직하다. 구체적으로 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트릴기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 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.
Figure PCTKR2014004220-appb-I000007
본 명세서에서 2가의 아미드기, 아릴렌기, 2가의 헤테로고리기는 각각 아미드기, 아릴기, 헤테로고리기에 결합 위치가 두 개 있는 것을 의미한다. 이들은 각각 2가기인 것을 제외하고 전술한 아미드기, 아릴기, 헤테로고리기의 설명이 적용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수용체는 플러렌 유도체 또는 비플러렌 유도체이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 플러렌 유도체는 C60 플러렌 유도체, C70 플러레 유도체, C76 플러렌 유도체, C78 플러렌 유도체, C84 플러렌 유도체 및 C90 플러렌 유도체로 이루어진 군에서 선택된다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌 유도체는 LUMO 에너지 준위가 -2.0 내지 -6.0 eV이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌 유도체는 LUMO 에너지 준위가 -2.5 내지 -5.0 eV이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌 유도체는 LUMO 에너지 준위는 -3.5 내지 -4.5 eV이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수용체는 [6,6]-페닐 C-부티릭산 메틸 에스테르(PCBM)이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자공여체는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 전자수용체와 전자공여체는 벌크헤테로 정션(BHJ)을 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 두께는 60 nm 내지 300nm 이다.
본 명세서에서 상기 광활성층의 두께란, 광활성층의 한 표면과 그에 대향하는 표면 사이의 너비를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 표면 거칠기는 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하지 않은 경우에 비하여 30 % 내지 55 % 감소한 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
광활성층의 표면 거칠기는 광활성층의 열처리 온도에 영향을 받는다. 본 명세서에서 표면 거칠기는 원자간력 현미경(AFM(Atomic Force Microscopy))를 이용하여 측정된다.
본 명세서에서 거칠기란 표면에 남겨진 광활성층 제조 공정의 고유한 속성이 표면상에 존재하는 불규칙한 성분을 의미한다.
광활성층의 표면의 거칠기가 증가하면, 높은 접촉 저항을 유발할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지는 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 첨가하여, 전자공여체 및 전자수용체의 도메인 크기를 감소시켜 표면 거칠기가 감소될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수용체의 표면 에너지는 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하지 않은 경우에 비하여 15 % 내지 55 % 감소할 수 있다.
본 명세서의 전자수용체의 표면 에너지는 30 mN/m 내지 48 mN/m 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 공여체와 전자 수용체의 중량비율은 1:0.5 내지 1:5이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 정공수송층 및 정공 주입층 중에서 하나 이상을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 전자수송층을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 전자수송층 또는 정공수송층을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 전자수용체 및 전자공여체를 포함하는 광활성층으로서, 상기 광활성층은 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 더 포함하는 것인 광활성층을 제공한다.
상기 전자수용체, 전자공여체 및 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물에 관한 설명은 전술한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자수용체의 표면 에너지를 감소시킨다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 상기 전자수용체의 중량 대비 0.25 중량% 내지 1 중량%이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 표면 거칠기는 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하지 않은 경우에 비하여 30 % 내지 55 % 감소한다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 전자수용체의 표면 에너지는 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하지 않은 경우에 비하여 15 % 내지 55 % 감소한다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 전자수용체의 표면 에너지는 상기 전자공여체의 표면 에너지에 대하여 0.1 % 내지 30 %만큼 차이난다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극은 애노드 전극일 수도 있고, 캐소드 전극일 수 있다. 또한, 제 2 전극은 캐소드 전극일 수 있고, 애노드 전극일 수 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.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드 전극, 버퍼층, 광활성층, 캐소드 전극 순으로 배열될 수도 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 일 영역에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상부에 광활성층을 포함하는 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 광활성층은 상기 광활성층은 전자수용체, 전자공여체 및 상기 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 상기 전자수용체의 중량 대비 0.25 중량% 내지 1 중량%이다.
상기 전자수용체, 전자공여체 및 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물에 관한 설명은 전술한 바와 동일하다.
본 명세서의 유기 태양 전지는 광활성층에 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 것을 제외하고는 당 기술 분야에 알려져 있는 재료와 방법으로 제조될 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 terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PI(polyimide), TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극은 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 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; 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 애노드 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
상기 애노드 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 100~150℃에서 1~30분간, 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 애노드 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다.
애노드 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.
애노드 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 애노드 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 캐소드 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; 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 캐소드 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); 및 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); 및 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, 브러쉬 페인팅 등의 방법으로 형성할 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 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
전자수용체의 표면 에너지 측정
표면 에너지의 첨가량에 따른 전자수용체 (PCBM)의 표면에너지의 변화는 하기 표 1과 같다.
상기 표면 에너지는 이온수와 글리세롤 두 가지 용매에 대한 접촉각을 측정하여 구하였다.
표 1
표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물의 첨가량(wt%) PCBM의 표면 에너지(mN/m)
0 44.6
0.25 36.7
0.5 34.5
1 30.6
3 27.5
5 23.6
10 20.2
전자공여체(P3HT)의 표면 에너지는 32.3 mN/m로 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드(2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide))를 0.25 중량% 내지 1 중량% 첨가하는 경우, 전자공여체와 유사한 표면 에너지를 갖는 것을 확인할 수 있다. 전자공여체와 전자수용체의 표면에너지가 유사하기 때문에 광활성층 내부에서 전자공여체와 전자수용체의 균일한 분포를 갖을 수 있다.
광활성층의 표면 거칠기 측정
표면 에너지의 첨가량에 따른 광활성층의 표면 거칠기의 변화는 하기 표 2와 같다. 상기 거칠기는 원자간력 현미경(AFM(Atomic Force Microscopy))을 이용하여 측정하였다.
표 2
표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물의 첨가량(wt%) 광활성층의 표면 거칠기(nm)
0(PCBM/P3HT 단독 film) 5.92
0.25 3.57
0.5 2.58
1 2.81
3 3.45
5 4.31
10 6.16
전자공여체(P3HT)와 전자수용체(PCBM)을 포함하는 광활성층은 열 처리 후 두 물질의 도메인 크기가 크게 형성되어, 전자수용체와 전자공여체의 접촉 면적이 감소한다.
전자공여체, 전자수용체 및 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드(2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide))을 0.25 중량% 내지 1 중량% 첨가하는 경우, 각 물질의 도메인 크기가 감소하여 표면 거칠기가 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 전자공여체와 전자수용체간의 표면 접촉 면적이 증가할 수 있다.
광활성층의 표면의 황/산소 원자의 비율 측정
전자공여체(P3HT) 내의 황원자와 전자수용체(PCBM) 내의 산소 원자의 비율을 2차 이온 질량 분석법(Secondary Ion Mass Spectroscopy: SIMS)로 측정하였다.
도 1은 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물의 함량에 따른 P3HT/PCBM 필름 표면의 황/산소원자의 상대 비율을 나타낸 도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하지 않는 광활성층의 필름 표면은 황/산소 원자의 비율이 약 2배에 가깝다. 이는 표면에 전자공여체(P3HT)가 존재함을 확인할 수 있다. 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 경우 황/ 산소의 비율이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드(2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide))를 0.25 중량% 내지 1 중량% 범위 내에서 광활성층 표면의 황과 산소의 함량이 유사함을 확인할 수 있다. 이는 전자수용체와 전자공여체가 균일하게 분포하는 것을 증명할 수 있다.
실시예 1
[패터닝된 ITO 기판 세정]
패터닝된 ITO 유리 (면저항 ~125 Ω/sq2, 신안 SNP) 기판의 표면을 세정하기 위하여 세정제(Alconox, Aldrich, 미국) 아세톤 및 이소프로필 알코올(IPA)를 사용해 순차적으로 각각 20분씩 초음파 세정을 실시한 후 질소로 물기를 완전히 불어낸 다음 가열판에서 120 ℃로 10 분간 건조하여 수분을 완전히 제거하였다. 패터닝된 ITO 기판의 세정이 완료되면 UVO 세정기(UVO cleaner, Ahtech LTS, 한국)에서 10분간 표면을 친수성으로 개질하였다.
[정공 전달층의 제조]
폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS_Clevious P AI 4083)에 이소 프로필 알코올(IPA)를 1:2로 혼합한 후 약 30nm 두께로 스핀 코팅 후 180 ℃ 핫 플레이트(hot plate)에서 12분간 열처리하였다.
[광활성층의 제조]
전자공여체는 폴리(3-헥실티오펜)(Poly-3-hexylthiophene: P3HT), 전자수용체는 [6,6]-페닐 C60-부티릭산 메틸 에스테르(PCBM)을 사용하였다. P3HT와 PCBM(60)을 1:1 중량비로 혼합한 광활성층 재료에 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드 (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide)를 PCBM 대비 0.25 중량% 첨가하여 1,2-디클로로벤젠과 클로로벤젠이 9:1로 혼합된 용매에 용해시켜 PEDOT:PSS 층 상부에 스핀 코팅하여 두께 230nm의 광활성층을 형성하였다.
[전극의 제조]
상기 순서로 제조 후 열 증착기 내부에서 Ca를 3nm 증착한 후 알루미늄 전극을 100nm 증착하여, 면적이 0.04cm2의 유기 태양 전지 셀을 제조하였다.
실시예 2
광활성층의 제조 중 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드 (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide)를 PCBM 대비 0.5 중량% 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 3
광활성층의 제조 중 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드 (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide)를 PCBM 대비 1 중량% 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 4
광활성층의 제조 중 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드 (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide)를 PCBM 대비 3.0 중량% 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 5
광활성층의 제조 중 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드 (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide)를 PCBM 대비 5.0 중량% 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 6
광활성층의 제조 중 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드 (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide)를 PCBM 대비 10.0 중량% 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 1
광활성층의 제조 중 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드 (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-N-phenyl-butylamide)를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
유기 태양 전지의 특성 평가
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조한 유기 태양 전지의 전기 광학적 특성을 측정하기 위하여, Oriel solar simulator(class AAA)를 이용해 표준 조건 (Air mass 1.5 Clobal, 100mW/cm2)에서 전류-전압 밀도를 측정하였다.
상기 유기 태양 전지의 광단락전류밀도(Jsc), 광개방전압(Voc), 필팩터(Fill Factor, FF)및 에너지 변환효율을 하기 표 3에 나타내었다.
이 때 필팩터는 최대 전력점에서 전압값 (Vmax)* 전류 밀도 (Jmax)/(Voc*jsc), 에너지 변환 효율은 FF*(Jsc*Voc)/Pin, Pin=100[mW.cm2]로 계산하였다.
표 3
함량 (wt%) Jsc(mA/cm2) Voc(V) FF (%) PCE (%)
실시예 1 0.25 11.6 0.63 54.9 4.0
실시예 2 0.5 12.6 0.63 55.8 4.4
실시예 3 1 12.5 0.63 55.2 4.3
실시예 4 3 11.1 0.63 54.2 3.8
실시예 5 5 11.0 0.63 55.7 3.8
실시예 6 10 11.0 0.63 50.7 3.5
비교예 1 0 10.5 0.63 49.4 3.2
표 1에서 함량은 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-N-페닐-부틸아미드의 전자수용체(PCBM) 대비 함량을 의미하고, Jsc는 단락전류밀도를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 광전 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
표 1에서 보는 바와 같이, 비교예 1의 광전 변환 효율은 3.2%에 비하여, 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물이 첨가된 실시예 1 내지 6의 경우 광전 변환 효율이 증가하였다. 특히, 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물의 함량이 0.25 중량% 내지 1 중량%의 경우, 광전 변환 효율은 약 25% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 단락 전류 밀도도 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 첨가하는 경우 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 전극;
    제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 광활성층을 포함하는 유기 태양 전지로서,
    상기 광활성층은 전자수용체, 전자공여체 및 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 것인 유기 태양 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기는 적어도 하나의 플루오르기(F)를 함유하는 기인 것인 유기 태양 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 상기 전자수용체의 중량 대비 0.25 중량% 내지 1 중량%인 것인 유기 태양 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자수용체의 표면 에너지는 상기 전자공여체의 표면 에너지에 대하여 0.1 % 내지 30 %만큼 차이가 나는 것인 유기 태양 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 상온에서 고체인 것인 유기 태양 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2014004220-appb-I000008
    화학식 1에 있어서,
    Ar은 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이고,
    L은 직접결합; 치환 또는 비치환된 2가의 아미드기; 치환 또는 비치환된 알킬렌기; 치환 또는 비치환된 아릴렌기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기이며,
    R은 적어도 하나의 플루오르기로 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-5 중 어느 하나로 표시되는 화합물인 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 1-1]
    Figure PCTKR2014004220-appb-I000009
    [화학식 1-2]
    Figure PCTKR2014004220-appb-I000010
    [화학식 1-3]
    Figure PCTKR2014004220-appb-I000011
    [화학식 1-4]
    Figure PCTKR2014004220-appb-I000012
    [화학식 1-5]
    Figure PCTKR2014004220-appb-I000013
    화학식 1-1 내지 1-5에 있어서,
    a, b 및 d는 각각 0 내지 7의 정수이고,
    c 및 e는 각각 0 내지 5의 정수이며,
    R1 내지 R5, R' 및 R"는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 수소; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층의 두께는 60 nm 내지 300 nm 인 것인 유기 태양 전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층의 표면 거칠기는 상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하지 않은 경우에 비하여 30 % 내지 55 % 감소한 것인 유기 태양 전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 공여체와 상기 전자 수용체의 중량비율은 1:0.5 내지 1:5인 것인 유기 태양 전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기 태양 전지는 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 정공수송층 및 정공 주입층 중에서 하나 이상을 더 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기 태양 전지는 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 전자수송층 또는 정공수송층을 더 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  14. 전자수용체 및 전자공여체를 포함하는 광활성층으로서,
    상기 광활성층은 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 더 포함하는 것인 광활성층.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 것인 광활성층.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 상기 전자수용체의 중량 대비 0.25 중량% 내지 1 중량%인 것인 광활성층.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 광활성층의 표면 거칠기는 표면 에너를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하지 않은 경우에 비하여 30 % 내지 55 % 감소한 것인 광활성층.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 전자수용체의 표면 에너지는 상기 전자공여체의 표면 에너지에 대하여 0.1 % 내지 30 %만큼 차이가 나는 것인 광활성층.
  19. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 일 영역에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상부에 광활성층을 포함하는 유기물층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 광활성층은 전자수용체, 전자공여체 및 상기 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 전자수용체의 표면 에너지를 감소시키는 작용기를 포함하는 화합물은 상기 전자수용체의 중량 대비 0.25 중량% 내지 1 중량%인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
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