KR101117426B1 - Organic solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명의 유기태양전지는 제 1 전극; 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 배치되는 광전 변환층을 포함하며, 상기 광전 변환층이 광흡수층; 및 상기 광흡수층과 상기 제 2 전극의 사이에 형성되는 포스핀 유도체 화합물을 함유하는 유기층을 포함한다.
본 발명의 태양전지는 열안정성이 우수하고 효율이 증가될 뿐만 아니라 증착공정이 아닌 용액공정으로 용이하게 제조 가능하다.The present invention relates to an organic solar cell and a method for manufacturing the same. Specifically, the organic solar cell of the present invention comprises a first electrode; Second electrode; And a photoelectric conversion layer disposed between the first electrode and the second electrode, wherein the photoelectric conversion layer comprises a light absorption layer; And an organic layer containing a phosphine derivative compound formed between the light absorption layer and the second electrode.
The solar cell of the present invention is not only excellent in thermal stability and increased in efficiency, but also easily manufactured by a solution process rather than a deposition process.
Description
본 발명은 유기태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 열안정성이 우수하고 효율이 증가될 뿐만 아니라 증착공정이 아닌 용액공정으로 용이하게 제조 가능한 유기태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an organic solar cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an organic solar cell and a method for manufacturing the same, which can be easily manufactured by a solution process instead of an excellent thermal stability and efficiency.
유기태양전지는 종래의 실리콘이나 화합물 반도체 태양 전지와 비교하여 간편한 제법과 낮은 설비 비용으로 제조할 수 있으므로, 장래의 저비용 태양전지로서 기대되고 있다. Organic solar cells are expected to be manufactured in the future as low-cost solar cells because they can be manufactured with a simple manufacturing method and low equipment cost compared with conventional silicon or compound semiconductor solar cells.
이러한, 유기태양전지는 현재까지 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 많은 물질과 구조 등이 연구되고 있으나, 그 중에서 정공수용체(electron donor)와 전자수용체(electron acceptor)의 혼합을 이용한 벌크 이형접합(bulk heterojunction) 구조가 가장 높은 효율을 보이고 있는 것으로 알려져 있다.In the organic solar cell, many materials and structures have been studied to improve the efficiency of the solar cell, but among them, a bulk heterojunction using a mixture of an electron acceptor and an electron acceptor is used. heterojunction) structure is known to have the highest efficiency.
그러나, 벌크 이형접합 구조는 태양 빛에 의해 전도성 고분자 등과 같은 전자주게에서 형성된 전자와 전공쌍인 여기자(exciton)의 확산거리가 고분자 내에서 10nm 정도밖에 되지 않기 때문에 이 거리 이내에서 전자주게와 전자받게의 계면에 도달하지 못할 경우 다시 재결합되어 소멸하는 문제가 있다. 또한, 전자주게와 전자받게의 계면에서 전자와 전공으로 분리된 후에 전자와 정공 각각은 금속전극과 투명전극 쪽으로 이동하는데 이를 위해서는 동시 연속적(co-continuous)인 구조를 가지면서 모든 전자주게가 연결되어 음전극과 맞닿아 있어야 하고, 모든 전자받게가 연결되어 양전극과 맞닿아 있어야 하나, 전자주게와 전자받게의 구조는 인위적으로 결정될 수 있는 것이 아니라, 물질의 혼합 후 상분리 특성에 의존하고 있어서 이와 같은 이상적인 구조를 얻을 수 없다. However, the bulk heterojunction structure has an electron donor and electron acceptor within this distance because the diffusion distance between electrons formed in electron donors such as conductive polymers by solar light and exciton, an electron pair, is only about 10 nm in the polymer. If the interface does not reach the problem of recombination and extinction again. In addition, after the electron and hole are separated from the electron donor and the electron acceptor, the electron and the hole move toward the metal electrode and the transparent electrode, so that all electron donors are connected while having a co-continuous structure. It should be in contact with the negative electrode, and all electron receivers should be connected and in contact with the positive electrode. However, the structure of the electron donor and electron receiver cannot be determined artificially, but depends on the phase separation property after mixing the material. Can't get it.
더욱이 일반적으로 전극으로 사용되는 Al 또는 Ag 등의 금속전극으로의 전자 이동은 광흡수층과 전극사이의 계면 특성이 좋지 않아 많은 손실이 발생하게 된다. 따라서, 유기태양전지의 단락전류와 개방전압이 저하되며 이에 의하여 유기태양전지의 효율 감소가 나타나게 된다. 이러한 계면 특성을 개선하기 위한 방법으로 스파이로 화합물, 풀러렌계 화합물 또는 LiF 등의 이온결합 화합물 등이 적용되어져 왔으나, 계면 특성의 개선 효과가 미미하고, 높은 온도에서의 증착공정으로만 적용가능하고 용액공정으로 적용하기 어려운 문제점이 있다.
In addition, electron transfer to a metal electrode such as Al or Ag, which is generally used as an electrode, causes a lot of loss due to poor interface characteristics between the light absorption layer and the electrode. Therefore, the short-circuit current and the open voltage of the organic solar cell are lowered, thereby reducing the efficiency of the organic solar cell. As a method for improving such interfacial properties, spiro compounds, fullerene-based compounds, or ionic bonding compounds such as LiF have been applied, but the effect of improving the interfacial properties is insignificant, and is applicable only to the deposition process at a high temperature. There is a problem that is difficult to apply to the process.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명의 목적은 열안정성이 우수하고 효율이 증가될 뿐만 아니라 증착공정이 아닌 용액공정으로 용이하게 제조 가능한 유기태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
An object of the present invention to solve the above problems is to provide an organic solar cell and a method for manufacturing the same, which can be easily manufactured by a solution process rather than a deposition process with excellent thermal stability and efficiency.
상기의 목적을 달성하고자 본 발명은,The present invention to achieve the above object,
제 1 전극; 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 배치되는 광전 변환층을 포함하며,A first electrode; A second electrode; And a photoelectric conversion layer disposed between the first electrode and the second electrode,
상기 광전 변환층이 광흡수층; 및 상기 광흡수층과 상기 제 2 전극의 사이에 형성되는 포스핀 유도체 화합물을 함유하는 유기층을 포함하는 유기태양전지를 제공한다.
The photoelectric conversion layer is a light absorption layer; And it provides an organic solar cell comprising an organic layer containing a phosphine derivative compound formed between the light absorption layer and the second electrode.
상기 포스핀 유도체 화합물은 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2 로 표현될 수 있다:The phosphine derivative compound may be represented by the following Chemical Formula 1 or the following Chemical Formula 2:
<화학식 1> <Formula 1>
<화학식 2> <Formula 2>
(화학식 1 및 2에서,(Formula 1 and 2,
Y1 및 Y2 는 각각 독립적으로 산소, 황 또는 셀레늄이며,Y 1 and Y 2 are each independently oxygen, sulfur or selenium,
Ar1 내지 Ar6 은 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기이며, 상기 치환은 할로겐 원자, 시아노기, 니트로기, 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기, 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 50 의 티오기, 탄소수 1 내지 50 의 실릴기에 의하여 이루어지며,Ar 1 to Ar 6 are each independently a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, and the substitution is a halogen atom, cyano group, nitro group, It consists of an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 50 carbon atoms, a thio group having 1 to 50 carbon atoms, and a silyl group having 1 to 50 carbon atoms. ,
Ar 은 하기 구조식 1 내지 4 에서 선택되며;Ar is selected from the following structural formulas 1 to 4;
<구조식 1> <Structure 1>
<구조식 2><Formula 2>
<구조식 3><Structure 3>
<구조식 4><Structure 4>
구조식 1 내지 4에서,In structures 1 to 4,
X 는 각각 독립적으로, 탄소, 규소, 게르마늄, 인 또는 황 원자이며,Each X is independently a carbon, silicon, germanium, phosphorus or sulfur atom,
R1 내지 R20 은 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 시아노, 니트로, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 50 의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 실릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 아미노기 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 보란일기이며, 상기 R1 내지 R20 은 각각 독립적으로 또는 인접한 기와 함께 포화 또는 불포화 고리를 형성할 수 있으며, R 1 to R 20 are each independently hydrogen, halogen atom, cyano, nitro, substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted Substituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkynyl group having 1 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted A substituted C1-C50 silyl group, a substituted or unsubstituted C1-C50 amino group, or a substituted or unsubstituted C1-C50 boraneyl group, wherein R 1 to R 20 are each independently or together with an adjacent group Can form saturated or unsaturated rings,
m1 내지 m4, m6 내지 m9, m12 내지 m14 및 m17 내지 m20 은 각각 독립적으로 1 내지 4 의 정수이며, m5 는 1 또는 2 이며, m10, m11 및 m15 는 각각 독립적으로 1 내지 3 의 정수이며, m16 은 1 이며, m1 to m4, m6 to m9, m12 to m14 and m17 to m20 are each independently an integer of 1 to 4, m5 is 1 or 2, m10, m11 and m15 are each independently an integer of 1 to 3, m16 Is 1,
n 은 0 내지 4 의 정수이다.)
n is an integer of 0 to 4).
상기 유기층은 상기 포스핀 옥사이드 유도체 및 극성 용매를 포함하는 코팅 조성물을 상기 광흡수층의 상면에 도포하고 건조하여 형성될 수 있다.
The organic layer may be formed by coating and drying a coating composition including the phosphine oxide derivative and a polar solvent on an upper surface of the light absorbing layer.
상기 유기층은 1 내지 30 nm 로 형성될 수 있다.
The organic layer may be formed to 1 to 30 nm.
본 발명의 다른 목적을 달성하고자 본 발명은,The present invention to achieve another object of the present invention,
상기 화학식 1 또는 2 로 표현되는 포스핀 유도체 화합물 및 극성 용매를 포함하는 코팅 조성물을 광흡수층의 상면에 도포하고 건조하는 유기층 형성 단계를 포함하는 유기태양전지의 제조 방법을 제공한다.
It provides a method for manufacturing an organic solar cell comprising the step of applying an organic layer forming the coating composition comprising a phosphine derivative compound represented by the formula 1 or 2 and a polar solvent on the upper surface of the light absorption layer and dried.
상기 극성 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 글리세롤, 프로필렌글리콜 및 1,3-부틸렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 알코올계 용매, 아세톤, 부타논 및 펜타으로 이루어진 군으로부터 선택되는 케톤계 용매, 에틸아세테이트 및 부틸아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 에스테르계 용매, 다이옥산 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 사이클릭에테르계 용매, 아세토나이트릴, 다이메틸포름아미드 및 다이메틸술폭사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
The polar solvent is a ketone selected from the group consisting of alcohol solvents selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, glycerol, propylene glycol and 1,3-butylene glycol, acetone, butanone and penta Cyclic ether solvent selected from the group consisting of dioxane and tetrahydrofuran, ester solvents selected from the group consisting of solvents, ethyl acetate and butyl acetate, acetonitrile, dimethylformamide and dimethyl sulfoxide Alone or mixtures thereof.
본 발명의 유기태양전지는 포스핀 유도체 화합물을 함유하는 유기층을 포함하여 고온 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 단락전류와 개방전압이 증가되어 높은 효율을 가진다. The organic solar cell of the present invention not only has excellent high temperature stability including an organic layer containing a phosphine derivative compound, but also has a high efficiency due to an increase in a short circuit current and an open voltage.
또한, 본 발명의 유기태양전지는 용액공정을 통한 박막 형성이 가능하여 단순공정으로 손쉽게 제조 가능하다.
In addition, the organic solar cell of the present invention can be easily manufactured in a simple process by forming a thin film through a solution process.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
이하, 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지(100)를 나타낸 단면도이다. 도 1 에 의하면, 본 발명의 유기태양전지(100)는 제 1 전극(110); 제 2 전극(120); 및 광전 변환층(130)을 포함하고, 상기 광전 변환층(130)은 정공수송층(131); 광흡수층(132); 및 유기층(133)을 포함한다. 1 is a cross-sectional view showing an organic
본 발명의 유기태양전지는 상기 유기층(133)으로 인하여 태양전지의 효율이 우수할 뿐만 아니라 고온 안정성이 우수하다.
The organic solar cell of the present invention is excellent in solar cell efficiency and high temperature stability due to the
상기 유기층은 포스핀 유도체 화합물을 포함한다. The organic layer includes a phosphine derivative compound.
상기 포스핀 유도체 화합물은 전자를 강하게 끌어당겨 쌍극자를 형성하는 특성이 있다. 이로 인해, 포스핀 유도체 화합물은 금속전극과 접촉시 금속전극과 쌍극자를 형성하여 금속의 에너지 준위를 변화시키게 되며, Al, Ag, Au 등의 금속과 접촉시 일함수를 진공 에너지 준위쪽으로 변화시키는 역할을 한다. 이에 의하여 전극 계면의 에너지 장벽이 감소되어 일반적으로 전자수용체로 적용되는 화합물과의 전자이동에 있어서 오믹접촉을 유도할 수 있으며, 단락전류 및 개방전압의 증가를 유도할 수 있다. 따라서, 유기태양전지의 효율이 증가되게 된다. The phosphine derivative compound has a characteristic of strongly attracting electrons to form a dipole. As a result, the phosphine derivative compound changes the energy level of the metal by forming a dipole and a dipole when contacted with the metal electrode, and changes the work function toward the vacuum energy level when contacted with a metal such as Al, Ag, or Au. Do it. As a result, the energy barrier of the electrode interface is reduced, thereby inducing ohmic contact in electron transfer with a compound generally applied as an electron acceptor, and inducing an increase in a short circuit current and an open voltage. Therefore, the efficiency of the organic solar cell is increased.
상기 포스핀 유도체 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 1 또는 2 로 표현될 수 있다:The phosphine derivative compound may preferably be represented by the following formula (1) or (2):
<화학식 1> <Formula 1>
<화학식 2> <Formula 2>
상기 화학식 1 및 2에서, Y1 내지 Y3 는 각각 독립적으로 산소, 황 또는 셀레늄에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 산소일 수 있다. 상기 Y1 내지 Y3 가 산소인 경우 단락전류 및 개방전압의 증가가 가장 커서 본 발명의 유기태양전지의 효율이 가장 상승된다. 상기 Ar1 내지 Ar6 은 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기이며, 이 때, 상기 치환은 할로겐 원자, 시아노기, 니트로기, 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기, 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 50 의 티오기, 탄수수 1 내지 50 의 실릴기에 의하여 될 수 있다.In Chemical Formulas 1 and 2, Y 1 To Y 3 Are each independently selected from oxygen, sulfur or selenium, preferably oxygen. Y 1 To Y 3 When oxygen is the largest increase in the short-circuit current and open voltage is the highest efficiency of the organic solar cell of the present invention. Ar 1 to Ar 6 are each independently a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, wherein the substitution is a halogen atom or a cyano group , A nitro group, an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 50 carbon atoms, a thio group having 1 to 50 carbon atoms, and having 1 to 50 carbon atoms Can be made by silyl.
상기 Ar 은 하기 구조식 1 내지 4 에서 선택될 수 있다:Ar may be selected from the following Structural Formulas 1-4:
<구조식 1> <Structure 1>
<구조식 2><Formula 2>
<구조식 3><Structure 3>
<구조식 4><Structure 4>
상기 구조식 1 내지 4에서, X 는 각각 독립적으로, 탄소, 규소, 게르마늄, 인 또는 황 원자에서 선택될 수 있다. 상기 R1 내지 R20 은 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 시아노, 니트로, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 50 의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 실릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 아미노기 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 보란일기에서 선택될 수 있으며, 상기 R1 내지 R20 은 각각 독립적으로 또는 인접한 기와 함께 포화 또는 불포화 고리를 형성할 수 있다. 이 때, 상기‘치환’은 할로겐 원자, 시아노기, 니트로기, 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기, 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 50 의 티오기, 탄소수 1 내지 50 의 실릴기에 의하여 될 수 있다. 상기 m1 내지 m4, m6 내지 m9, m12 내지 m14 및 m17 내지 m20 은 각각 독립적으로 1 내지 4 의 정수이며, m5 는 1 또는 2 이며, m10, m11 및 m15 는 각각 독립적으로 1 내지 3 의 정수이며, m16 은 1 이다. 상기 n 은 0 내지 4 의 정수일 수 있다. In Formulas 1 to 4, each X may be independently selected from carbon, silicon, germanium, phosphorus, or sulfur atoms. R 1 to R 20 may be the same as or different from each other, and each independently hydrogen, a halogen atom, cyano, nitro, a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a substituted or unsubstituted carbon number 5 to 50 Heteroaryl group, substituted or unsubstituted C1-C50 alkyl group, substituted or unsubstituted C3-C50 cycloalkyl group, substituted or unsubstituted C2-C50 alkenyl group, substituted or unsubstituted C1 It may be selected from an alkynyl group of 50 to 50, a substituted or unsubstituted silyl group having 1 to 50 carbon atoms, a substituted or unsubstituted amino group having 1 to 50 carbon atoms or a substituted or unsubstituted boraneyl group having 1 to 50 carbon atoms, and R 1 to R 20 may each independently form a saturated or unsaturated ring with or adjacent groups. In this case, the 'substituted' is a halogen atom, cyano group, nitro group, aryl group having 6 to 50 carbon atoms, heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, cycloalkyl group having 3 to 50 carbon atoms, carbon number It can be made from 1 to 50 thio groups, silyl groups having 1 to 50 carbon atoms. M1 to m4, m6 to m9, m12 to m14, and m17 to m20 are each independently an integer of 1 to 4, m5 is 1 or 2, m10, m11 and m15 are each independently an integer of 1 to 3, m16 is 1; N may be an integer of 0 to 4.
상기 화학식 1 또는 2에서 Ar1 내지 Ar6 및 R1 내지 R20 에서 상기 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기는 구체적으로, 페닐기, 1-나프틸기, 2-나프틸기, 1-안트릴기, 2-안트릴기, 9-안트릴기, 1-페난트릴기, 2-페난트릴기, 3-페난트릴기, 4-페난트릴기, 9-페난트릴기, 1-나프타센일기, 2-나프타센일기, 9-나프타센일기, 1-피렌일기, 2-피렌일기, 4-피렌일기, 2-바이페닐일기,3-바이페닐일기, 4-바이페닐일기, p-터페닐-4-일기, p-터페닐-3-일기, p-터페닐-2-일기, m-터페닐-4-일기, m-터페닐-3-일기, m-터페닐-2-일기, o-톨릴기, m-톨릴기, p-톨릴기, p-tert-뷰틸페닐기, p-(2-페닐프로필)페닐기, 3-메틸-2-나프틸기, 4-메틸-1-나프틸기, 4-메틸-1-안트릴기, 4-메틸바이페닐일기 또는 4-tert-부틸-p-터페닐-4-일기 등을 들 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기의 구체적인 예로는, 피롤릴기, 피라지닐기, 피리미딜기, 피리다질기, 피리디닐기, 인돌릴기, 벤조퓨란일기, 퀴놀릴기, 퀴녹살린일기, 페난트리딘일기, 페난트롤린일기, 옥사졸릴기, 피롤기 등을 들 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알킬기의 구체적인 예로는, 메틸, 에틸, 부틸, 헥실, 헵틸, 히드록시메틸, 할로겐화에틸, 할로겐화메틸, 시아노메틸기, 시아노에틸기, 시클로프로필기, 니트로메틸기, 아마단틸기, 노보닐기 등을 들 수 있다. 상기 탄소수 2 내지 50 의 치환 또는 비치환된 알케닐기의 구체적인 예로는, 에테닐, 프로페닐, 부테닐, 펜테닐, 헥세닐, 2-메틸-에테닐, 2-메틸-프로페닐, 2-메틸-부테닐, 2-메틸-펜테닐 또는 2-메틸-헥세닐기 등을 들 수있다. 상기 탄소수 1 내지 50 의 알키닐기의 구체적인 예로는, 2-메틸에티닐, 2-메틸프로피닐, 2-메틸부티닐, 3-메톡시헵티닐기 등을 들 수 있다. 상기 탄소수 1 내지 50 의 치환 또는 비치환된 아미노기의 구체적인 예로는, 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 뷰틸아민, 펜틸아민, 헥실아민, 헵틸아민, 이소프로필아민, 이소부틸아민, tert-부틸아민, 2-펜틸아민, 네오-펜틸아민, 페닐아민, 나프틸아민, 비페닐아민, 안트라세닐아민, 3-메틸-페닐아민, 4-메틸-나프틸아민, 2-메틸-바이페닐아민 또는 9-메틸-안트라세닐아민, 페닐메틸아민, 페닐에틸아민, 나프틸메틸아민, 나프틸에틸아민, 비페닐메틸아민, 3-메틸-페닐메틸아민, 페닐(이소프로필)아민, 나프틸(이소프로필)아민, 나프틸(이소부틸)아민 또는 비페닐(이소프로필)아민기 등을 들 수 있다. 상기 탄소수 1 내지 50 의 치환 또는 비치환된 실릴기의 구체적인 예로는, 트리메틸실릴, 트리에틸실릴, 트리부틸실릴, 트리(이소프로필)실릴, 트리(이소뷰틸)실릴, 트리(tert-뷰틸)실릴, 트리(2-부틸)실릴, 트리페닐실릴, 트리나프틸실릴, 트리비페닐실릴, 트리(3-메틸페닐)실릴, 트리(4-메틸나프틸)실릴, 트리(2-메틸비페닐)실릴, 페닐메틸실릴, 페닐에틸실릴, 나프틸메틸실릴, 나프틸에틸실릴, 비페닐메틸실릴, 3-메틸-페닐메틸실릴, 페닐(이소프로필)실릴, 나프틸(이소프로필)실릴 또는 비페닐(이소프로필)실릴기 등을 들 수 있다.Ar 1 to Ar 6 in Formula 1 or 2 And the substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms at R 1 to R 20 may be specifically, a phenyl group, 1-naphthyl group, 2-naphthyl group, 1-anthryl group, 2-anthryl group, and 9-an Trinyl group, 1-phenanthryl group, 2-phenanthryl group, 3-phenanthryl group, 4-phenanthryl group, 9-phenanthryl group, 1-naphthacenyl group, 2-naphthacenyl group, 9-naphthacenyl group , 1-pyrenyl group, 2-pyrenyl group, 4-pyrenyl group, 2-biphenylyl group, 3-biphenylyl group, 4-biphenylyl group, p-terphenyl-4-yl group, p-terphenyl-3- Diary, p-terphenyl-2-yl group, m-terphenyl-4-yl group, m-terphenyl-3-yl group, m-terphenyl-2-yl group, o-tolyl group, m-tolyl group, p- Tolyl group, p-tert-butylphenyl group, p- (2-phenylpropyl) phenyl group, 3-methyl-2-naphthyl group, 4-methyl-1-naphthyl group, 4-methyl-1-anthryl group, 4- Methyl biphenylyl group, 4-tert- butyl- p-terphenyl-4-yl group, etc. are mentioned. Specific examples of the substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms include pyrrolyl, pyrazinyl, pyrimidyl, pyridazyl, pyridinyl, indolyl, benzofuranyl, quinolyl and quinox Salineyl group, phenanthridineyl group, phenanthrolineyl group, an oxazolyl group, a pyrrole group, etc. are mentioned. Specific examples of the substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms include methyl, ethyl, butyl, hexyl, heptyl, hydroxymethyl, ethyl halide, methyl halide, cyanomethyl group, cyanoethyl group, cyclopropyl group, nitro Methyl group, amandanyl group, a norbornyl group, etc. are mentioned. Specific examples of the substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms include ethenyl, propenyl, butenyl, pentenyl, hexenyl, 2-methyl-ethenyl, 2-methyl-propenyl and 2-methyl -Butenyl, 2-methyl-pentenyl, 2-methyl-hexenyl group, etc. are mentioned. As a specific example of the said C1-C50 alkynyl group, 2-methylethynyl, 2-methylpropynyl, 2-methylbutynyl, 3-methoxyheptinyl group, etc. are mentioned. Specific examples of the substituted or unsubstituted amino group having 1 to 50 carbon atoms include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, heptylamine, isopropylamine, isobutylamine, tert-butylamine , 2-pentylamine, neo-pentylamine, phenylamine, naphthylamine, biphenylamine, anthracenylamine, 3-methyl-phenylamine, 4-methyl-naphthylamine, 2-methyl-biphenylamine or 9 -Methyl-anthracenylamine, phenylmethylamine, phenylethylamine, naphthylmethylamine, naphthylethylamine, biphenylmethylamine, 3-methyl-phenylmethylamine, phenyl (isopropyl) amine, naphthyl (isopropyl ) Amine, naphthyl (isobutyl) amine, biphenyl (isopropyl) amine group, etc. are mentioned. Specific examples of the substituted or unsubstituted silyl group having 1 to 50 carbon atoms include trimethylsilyl, triethylsilyl, tributylsilyl, tri (isopropyl) silyl, tri (isobutyl) silyl, tri (tert-butyl) silyl , Tri (2-butyl) silyl, triphenylsilyl, trinaphthylsilyl, tribiphenylsilyl, tri (3-methylphenyl) silyl, tri (4-methylnaphthyl) silyl, tri (2-methylbiphenyl) silyl , Phenylmethylsilyl, phenylethylsilyl, naphthylmethylsilyl, naphthylethylsilyl, biphenylmethylsilyl, 3-methyl-phenylmethylsilyl, phenyl (isopropyl) silyl, naphthyl (isopropyl) silyl or biphenyl ( Isopropyl) silyl group etc. are mentioned.
바람직하게는, 상기 화학식 1 또는 2에서 Y1 내지 Y3 가 산소이며, 상기 Ar1 내지 Ar6 은 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 34의 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환 비페닐기, 치환 또는 비치환 터페닐기, 치환 또는 비치환 나프틸기, 치환 또는 비치환 안트릴기, 또는 치환 또는 비치환 피렌일기일 수 있다. Preferably, in Formula 1 or 2, Y 1 to Y 3 are oxygen, and Ar 1 to Ar 6 are each independently a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 34 carbon atoms, a substituted or unsubstituted biphenyl group, substituted or It may be an unsubstituted terphenyl group, a substituted or unsubstituted naphthyl group, a substituted or unsubstituted anthryl group, or a substituted or unsubstituted pyrenyl group.
본 발명의 상기 유기층(133)에 사용되는 상기 화학식 1 또는 2 로 표현되는 포스핀 유도체 화합물의 구체적인 예를 하기 표 1 에 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Specific examples of the phosphine derivative compounds represented by Formula 1 or 2 used in the
(1)
(One)
(2)
(2)
(3)
(3)
(4)
(4)
(5)
(5)
(6)
(6)
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(8)
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(9)
(10)
10
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(15)
(15)
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(34)
(34)
상기 유기층(133)은 당업계에 통상적으로 사용되는 방법으로 상기 광흡수층(132)과 상기 제 2 전극(120)의 사이, 즉 상기 광흡수층(132)의 상면에 적층될 수 있다. 진공증착 등의 방법으로 형성되는 경우 종래 사용되는 600 ℃ 이상보다 낮은 온도, 구체적으로 150 내지 400 ℃ 온도에서 증착공정을 수행할 수 있는 장점이 있다. The
바람직하게는, 상기 유기층(133)은 상기 포스핀 유도체 화합물 및 극성 용매를 포함하는 코팅 조성물을 상기 광흡수층의 상면에 도포하고 건조시켜 형성될 수 있다. 즉, 증착공정보다 단순하고 용이하며 환경친화적인 용액공정으로 상기 유기층(133)을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 핀홀이 거의 없는 균질한 박막을 용이하게 얻을 수 있다.Preferably, the
상기 유기층(133)에 포함되는 상기 화학식 1 또는 2 로 표현되는 포스핀 유도체 화합물은 강한 극성으로 인하여 방향족계 용매뿐만 아니라 알코올계 용매를 포함한 극성 용매에도 용해가 가능하므로 극성 용매를 사용하여 용액공정으로 상기 유기층(133)을 형성할 수 있으며, 상기 광흡수층(132)은 방향족계 용매에 용해되는 특성을 가지고 있는 바, 상기 광흡수층(132)에 영향을 미치지 않으면서 상기 유기층(133)을 형성할 수 있다. Since the phosphine derivative compound represented by Chemical Formula 1 or 2 included in the
상기 극성 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 글리세롤, 프로필렌글리콜 및 1,3-부틸렌글리콜 등의 알코올계 용매, 아세톤, 부타논, 펜타논 등의 케톤계 용매, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트 등의 에스테르계 용매, 다이옥산, 테트라하이드로퓨란 등의 사이클릭에테르계 용매 및 아세토나이트릴, 다이메틸포름아미드 및 다이메틸술폭사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 극성 용매는 기타 상기의 다른 극성 용매 또는 비극성 용매와 혼합하여 사용할 수 있으며 다른 극성 용매와 혼합시에는 비율의 제한이 없으나, 비극성 용매와 혼합될 경우에는 극성 용매의 함량은 용매 전체에 대하여 50 부피% 이상인 것이 바람직하다. 상기 극성 용매가 50 부피% 미만인 경우 다른 용매의 함량이 상대적으로 많아져 상기 광흡수층에 영향을 미칠 수 있다. The polar solvent is an alcohol solvent such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, glycerol, propylene glycol and 1,3-butylene glycol, ketone solvents such as acetone, butanone, pentanone, ethyl acetate, butyl acetate Cyclic ether solvents such as ester solvents such as dioxane and tetrahydrofuran, and acetonitrile, dimethylformamide and dimethyl sulfoxide may be used alone or in a mixture thereof, but are not limited thereto. It is not. The polar solvent may be used in admixture with other polar solvents or non-polar solvents, and when mixed with other polar solvents, the ratio is not limited. However, when mixed with the non-polar solvent, the content of the polar solvent is 50 vol based on the total solvent. It is preferable that it is% or more. If the polar solvent is less than 50% by volume, the amount of the other solvent may be relatively high, which may affect the light absorbing layer.
상기 코팅 조성물에서 상기 화학식 1 또는 2 로 표현되는 화합물의 농도는 조성물에 대하여 0.001 내지 1 중량% 일 수 있다. 상기 농도의 범위 내에서 화합물이 용매내에 균일하게 용해되며 평탄성이 향상되고 균일한 유기층을 얻을 수 있다. The concentration of the compound represented by Formula 1 or 2 in the coating composition may be 0.001 to 1% by weight based on the composition. Within the above concentration range, the compound is uniformly dissolved in the solvent, thereby improving flatness and obtaining a uniform organic layer.
상기 코팅 조성물의 코팅 방법은 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 슬릿 코팅, 슬랏 코팅, 바코팅, 딥코팅 등의 당업계에 공지된 방법을 제한없이 적용할 수 있다. The coating method of the coating composition may be applied without limitation to methods known in the art such as spin coating, inkjet printing, gravure printing, slit coating, slot coating, bar coating, dip coating and the like.
상기 유기층의 두께는 1 내지 30 nm 일 수 있다. 상기 유기층이 1 nm 미만인 경우, 상기 제 2 전극(120)의 에너지 준위를 조절하여 계면 특성을 개선하는 효과가 미미할 수 있으며, 30 nm를 초과하는 경우 유기막층에 의한 저항 증가로 유기태양전지의 효율이 저하될 수 있다.
The thickness of the organic layer may be 1 to 30 nm. When the organic layer is less than 1 nm, the effect of improving the interface characteristics by adjusting the energy level of the
상기 제 1 전극(110)은 태양광이 투과할 수 있도록 기판(미도시)상에 투명전극 물질을 도포하여 형성되는 투명전극일 수 있다. 상기 투명전극 물질은 4 eV 이상의 일함수를 갖는 금속, 합금, 전기전도성 화합물 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있으며, 구체적으로 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), SnO2, ZnO, FTO 등의 투명산화물, Au, CuI, 전도성 고분자, 그라펜(graphen), 그라펜 산화물, 탄소나노튜브 등과 같은 유기 물질 또는 금속이 결합된 탄소나노튜브와 같은 유-무기 결합 물질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제 1 전극(110)은 약 10 내지 300 nm 의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제 1 전극(110)은 화학적 기상증착(CVD), 물리적 기상증착(PVD) 등의 기상증착법 또는 스퍼터링법을 통하여 상기한 전극 재료를 박막으로 형성하여 제조할 수 있다.The
상기 기판은 도면에는 미도시되어 있으나, 양호한 기계적 강도, 열안정성 및 투명성을 갖는 것이라면 당업계에서 통상적으로 사용하는 것을 제한없이 사용할 수 있으며, 구체적으로, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 실리콘, 금속 또는 유리를 사용할 수 있다.
The substrate is not shown in the drawings, but if it has good mechanical strength, thermal stability and transparency can be used without limitation conventionally used in the art, specifically, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN ), Polyimide, polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone (PES), polyetherimide (PEI), silicone, metal or glass can be used.
상기 제 2 전극(120)은 4 eV 미만의 일함수를 갖는 금속, 합금, 전기전도성 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용하여 형성할 수 있으며, 구체적으로, Na, Na-K 합금, 칼슘, 마그네슘, 리튬, 리튬 합금, 인듐, 알루미늄, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금을 들 수 있다. 이외에, 알루미늄/AlO2,알루미늄/리튬, 마그네슘/은 또는 마그네슘/인듐 등도 사용될 수 있으며, 당업계에 공지된 것이 제한없이 사용될 수 있다. 상기 제 2 전극(120)은 알루미늄, 텅스텐, 금 또는 구리와 같은 도전성 금속 물질로 스퍼터링 또는 화학적 기상증착(CVD), 물리적 기상증착(PVD) 등의 기상증착법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제 2 전극(120)은 바람직하게는 10 nm 이상의 두께로 형성될 수 있다. 10 nm 보다 얇을 경우에는 저항이 증가하여 태양전지 소자의 특성이 저하될 수 있다. The
유기태양전지의 효율을 높이기 위해서는 하나 이상의 전극은 바람직하게는 10% 이상의 광투과율을 가져야 한다. 또한, 상기 제 1 전극(110) 및 상기 제 2 전극(120)의 시트저항은 바람직하게는 수백 Ω/mm 이하일 수 있다.
In order to increase the efficiency of the organic solar cell, at least one electrode should preferably have a light transmittance of 10% or more. In addition, the sheet resistance of the
상기 광전 변환층(130)은 정공수송층(131); 광흡수층(132); 및 유기층(133)을 포함한다. The
태양광이 입사되면 상기 광흡수층(132)에서 전자 e 와 정공 h 의 페어로 되는 여기자 E(exciton)이 형성되고 이것이 상기 광흡수층(132) 및 유기층(133)의 계면과 상기 광흡수층(132)과 상기 정공수송층(131)의 계면으로 확산 이동한다. 상기 계면에서 여기자는 전자와 정공으로 분리되고 이들이 각각 상이한 전극에 수송되어 기전력을 발생하게 된다. When sunlight is incident, an exciton E (exciton) forming a pair of electrons e and holes h is formed in the
상기 광흡수층(132)은 전자수용체(electron acceptor)와 정공수용체(hole acceptor or electron donor)가 이층막으로 구성되거나 서로 혼재되어 있는 벌크 이종접합 구조를 가질 수 있으며, 바람직하게는 전자수용체와 정공수용체가 혼재되어 있는 벌크 이종접합 구조를 가질 수 있다. 상기 전자수용체는 구체적으로, 폴리티오펜(polythiphene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole), 이들의 공중합체 등의 고분자 반도체 물질 및 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiphene), 이들의 유도체 등의 유기 저분자 반도체 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리-3-옥틸티오펜[poly-3-octylthiophene, P3OT], 폴리파라페닐렌비닐렌[poly-p-phenylene vinylene, PPV], 폴리(디옥틸플루오렌)[poly(9,9′-dioctylfluorene)], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리(2-메틸,5-(3′,7′-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌[poly(2-methyl,5-(3′,7′-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMOPPV] 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전자수용체는 풀러렌(fullerene) 또는 풀러렌 유도체가 주로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM], 풀러렌(fullerene, C60), (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM], 탄소나노튜브 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 빛에 의해 생성된 전자가 풀러렌 등의 전자수용체를 통해 전극으로 손실없이 수집되기 위해서는 상기 전도성 고분자 등의 정공수용체와 전자수용체가 충분히 혼합되어 있어야 하며, 상기 PCBM등의 풀러렌 유도체는 플러렌 등의 전자수용체와 티오펜 고분자 등의 정공수용체가 잘 혼합되도록 하는 역할을 한다. The
상기 광흡수층(132)은 진공증착, 스핀코팅 또는 캐스팅과 같은 공지된 방법을 이용하여 상술한 물질로 형성될 수 있으며, 구체적으로 상기 정공수용체 및 전자수용체를 용매로 용해시킨 혼합물을 상기 정공수송층(131)의 상부에 도포하고 용매를 증발시켜 제조할 수 있다. 상기 전자수용체 및 정공수용체을 용해하는 용매는 바람직하게는, 클로로포름(chloroform), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 디클로로벤젠(dichlorobenzene), 트리클로로벤젠(trichloro benzene) 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The light
상기 정공수송층(131)은 정공전달 물질을 상기 제 1 전극(110)의 상부에 도포시켜 형성시키는 것으로, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리스티렌설포네이트[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate, PEDOT-PSS], 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine, CuPC), 폴리티오페닐렌비닐렌(polyhiophenylenevinylene), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-pphenylenevinylene) 및 폴리메틸페닐실란(poly(methylphenylsilane)) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
The
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 이는 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐, 이로 인해 본 발명의 범위가 제한되지 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. This is for the purpose of illustrating the invention only, and thus the scope of the invention is not limited.
<< 실시예Example 1> 유기태양전지의 제조 1> Fabrication of Organic Solar Cell
수용성 정공 전달 물질인 PEDOT-PSS를 전도성 기판인 ITO 유리 기판상 위에 스핀코팅한 후, 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT] 과 페닐-C61-뷰티릭엑시드 메틸에스터[[6,6]phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM]을 1,2-다이클로로벤젠, 클로로벤젠, 클로로포름 단독 혹은 혼합용매에 2wt% 로 녹이고, 이 각각의 용액을 중량비 1:0.7로 섞어 제조하였다. 제조된 코팅용액을 2000rpm 으로 스핀코팅하고 건조하여 유기박막을 형성하였다. 이렇게 형성된 유기 박막위에 상기 표 1 의 구조식 1 의 포스핀 옥사이드 유도체를 진공 증착한 후, 마찬가지 방법으로 알루미늄 금속을 증착하여 유기 태양전지 소자를 제조하였다.
Water-soluble hole transport material PEDOT-PSS was spin-coated on a conductive substrate, ITO glass substrate, and then poly-3-hexylthiophene (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl ester [ 6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) is prepared by dissolving 1,2-dichlorobenzene, chlorobenzene, chloroform alone or 2 wt% in a mixed solvent, and mixing the respective solutions in a weight ratio of 1: 0.7. It was. The coating solution was spin-coated at 2000 rpm and dried to form an organic thin film. After the vacuum deposition of the phosphine oxide derivative of Structural Formula 1 of Table 1 on the thus formed organic thin film, an aluminum metal was deposited in the same manner to prepare an organic solar cell device.
<< 실시예Example 2> 유기태양전지의 제조 2> Fabrication of Organic Solar Cell
상기 실시예 1에서 상기 포스핀 유도체 화합물을 상기 표 1 의 구조식 2 에 해당되는 것을 사용하여 태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the phosphine derivative compound was prepared in Example 1, and the solar cell was manufactured using the chemical formula 2 of Table 1.
<< 실시예Example 3> 유기태양전지의 제조 3> Fabrication of Organic Solar Cell
상기 실시예 1에서 상기 포스핀 유도체 화합물을 상기 표 1 의 구조식 21 에 해당되는 것을 사용하여 태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the phosphine derivative compound was prepared in Example 1, but the solar cell was manufactured using the chemical formula 21 of Table 1.
<< 실시예Example 4> 유기태양전지의 제조 4> Fabrication of Organic Solar Cell
상기 실시예 1에서 상기 포스핀 유도체 화합물을 상기 표 1 의 구조식 36 에 해당되는 것을 사용하여 태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the phosphine derivative compound was manufactured in Example 1, and the solar cell was manufactured using the chemical formula 36 of Table 1.
<< 실시예Example 5> 유기태양전지의 제조 5> Fabrication of Organic Solar Cell
상기 실시예 1에서 상기 포스핀 유도체 화합물을 상기 표 1 의 구조식 25 에 해당되는 것을 사용하여 태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예1 과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the phosphine derivative compound was prepared in Example 1, but the solar cell was manufactured using the chemical formula 25 of Table 1.
<< 실시예Example 6> 용액공정을 이용한 유기태양전지의 제조 6> Fabrication of Organic Solar Cell Using Solution Process
수용성 정공 전달 물질인 PEDOT-PSS를 전도성 기판인 ITO 유리 기판상 위에 스핀코팅한 후, 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT]과 페닐-C61-뷰티릭엑시드 메틸에스터[[6,6]phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM]을 1,2-다이클로로벤젠, 클로로벤젠, 클로로포름 단독 혹은 혼합용매에 2 wt% 로 녹이고, 이 각각의 용액을 중량비 1:0.7로 섞어 제조하였다. 제조된 코팅용액을 2000rpm 으로 스핀코팅하고 건조하여 유기박막을 형성하였다. 이렇게 형성된 유기 박막위에 상기 표 1 의 구조식 1 의 포스핀 옥사이드 유도체를 이소프로필 알콜을 이용하여 0.1 wt% 로 녹이고, 제조된 코팅용액을 광흡수층 위에 2000rpm 으로 스핀코팅하고 건조하여 유기 박막을 얇게 형성 하였다. 이렇게 형성된 유기 박막 위에 알루미늄 금속을 진공 증착하여 유기 태양전지 소자를 제조하였다.
PEDOT-PSS, a water-soluble hole transport material, was spin-coated on an ITO glass substrate, a conductive substrate, and then poly-3-hexylthiophene (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl ester [ 6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) is dissolved in 1,2-dichlorobenzene, chlorobenzene, chloroform alone or 2 wt% in a mixed solvent, and the respective solutions are mixed at a weight ratio of 1: 0.7. Prepared. The coating solution was spin-coated at 2000 rpm and dried to form an organic thin film. On the organic thin film thus formed, the phosphine oxide derivatives of the structural formula 1 of Table 1 were dissolved at 0.1 wt% using isopropyl alcohol, and the coating solution was spin-coated at 2000 rpm on a light absorbing layer and dried to form an organic thin film. . An aluminum metal was vacuum deposited on the organic thin film thus formed to manufacture an organic solar cell device.
<< 실시예Example 7> 용액공정을 이용한 유기태양전지의 제조 7> Fabrication of Organic Solar Cell Using Solution Process
상기 실시예 6 에서 상기 포스핀 유도체 화합물을 상기 표 1 의 구조식 2 에 해당되는 것을 사용하여 태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6 과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 6, except that the phosphine derivative compound was manufactured in Example 6, but the solar cell was manufactured using the chemical formula 2 of Table 1.
<< 실시예Example 8> 용액공정을 이용한 유기태양전지의 제조 8> Fabrication of Organic Solar Cell Using Solution Process
상기 실시예 6에서 상기 포스핀 유도체 화합물을 상기 표 1 의 구조식 21 에 해당되는 것을 사용하여 태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6 과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 6, except that the phosphine derivative compound was manufactured in Example 6 to correspond to Structural Formula 21 of Table 1 above.
<< 비교예Comparative example 1> 유기태양전지의 제조 1> Fabrication of Organic Solar Cell
상기 실시예 1에서 포스핀 유도체 화합물을 포함하는 유기층 대신 LiF층을 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the LiF layer was formed instead of the organic layer including the phosphine derivative compound in Example 1.
<< 비교예Comparative example 2> 유기태양전지의 제조 2> Fabrication of Organic Solar Cell
상기 실시예 1에서 포스핀 유도체 화합물을 포함하는 유기층 대신 전자 이동 특성이 좋은 Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)층을 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제작하였다.
In the same manner as in Example 1 except for forming a Bphen (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) layer having good electron transfer properties instead of the organic layer containing a phosphine derivative compound in Example 1 A solar cell was produced.
<< 실험예Experimental Example 1> 태양전지 효율의 측정 1> Measurement of solar cell efficiency
상기 실시예 및 비교예에 제조한 유기태양전지의 효율을 평가하기 위해서 AM 1.5G 필터를 사용하여 빛의 스펙트럼을 조절하였고, 샘플에 도달하는 광원은 1 sun 조건, 즉 100 mW/cm2 으로 조절하였으며, 이러한 표준조건하에 측정된 태양전지의 효율을 하기 표 2 에 나타내었다. In order to evaluate the efficiency of the organic solar cells prepared in Examples and Comparative Examples, the light spectrum was adjusted using an AM 1.5G filter, and the light source reaching the sample was controlled at 1 sun condition, that is, 100 mW / cm 2 . The efficiency of the solar cell measured under these standard conditions is shown in Table 2 below.
상기 표 2 에 나타난 바와 같이 본 발명의 포스핀 유도체 화합물을 함유하는 유기층을 포함하는 유기태양전지는 비교예의 유기태양전지에 비하여 필팩터가 증가하고 개방전압이 증가하여 효율이 상승됨을 알 수 있다.
As shown in Table 2, the organic solar cell including the organic layer containing the phosphine derivative compound of the present invention can be seen that the efficiency is increased by increasing the fill factor and the open voltage compared to the organic solar cell of the comparative example.
<< 실험예Experimental Example 2> 고온 안정성의 평가 2> Evaluation of high temperature stability
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 태양전지에 대하여 상온에서부터 고온까지 온도를 변화시켜 효율을 측정하는 방법으로 태양전지를 이루는 물질들의 열적 안정성을 평가하여 그 결과를 하기 표 3 에 나타내었다. The thermal stability of the materials constituting the solar cell by the method of measuring the efficiency by varying the temperature from room temperature to high temperature for the solar cells manufactured in Examples and Comparative Examples was shown in Table 3 below.
상기 표 3 에 나타난 바와 같이 본 발명의 포스핀 유도체 화합물은 고온에서 장시간 방치하는 경우 태양전지 효율이 거의 감소하지 않아 비교예의 태양전지에 비해 고온 안정성이 증가함을 알 수 있다
As shown in Table 3, when the phosphine derivative compound of the present invention is left at a high temperature for a long time, the solar cell efficiency hardly decreases, and thus the high temperature stability is increased compared to the solar cell of the comparative example.
110: 제 1 전극
120: 제 2 전극
130: 광전 변환층
131: 정공수송층
132: 광흡수층
133: 유기층110: first electrode
120: second electrode
130: photoelectric conversion layer
131: hole transport layer
132: light absorption layer
133: organic layer
Claims (10)
상기 광전 변환층이 광흡수층; 상기 광흡수층과 상기 제 2 전극의 사이에 형성되는 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2 로 표현되는 포스핀 유도체 화합물을 함유하는 유기층; 및 상기 제 1 전극 및 상기 광흡수층 사이에 형성된 정공수송층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
<화학식 1>
<화학식 2>
(화학식 1 및 2에서,
Y1 및 Y2 는 각각 독립적으로 산소, 황 또는 셀레늄이며,
Ar1 내지 Ar6 은 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기이며, 상기 치환은 할로겐 원자, 시아노기, 니트로기, 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기, 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 50 의 티오기, 탄소수 1 내지 50 의 실릴기에 의하여 이루어지며,
Ar 은 하기 구조식 1 내지 4 에서 선택되며;
<구조식 1>
<구조식 2>
<구조식 3>
<구조식 4>
구조식 1 내지 4에서,
X 는 각각 독립적으로, 탄소, 규소, 게르마늄, 인 또는 황 원자이며,
R1 내지 R20 은 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 시아노, 니트로, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 50 의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 실릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 아미노기 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 보란일기이며, 상기 R1 내지 R20 은 각각 독립적으로 또는 인접한 기와 함께 포화 또는 불포화 고리를 형성할 수 있으며,
m1 내지 m4, m6 내지 m9, m12 내지 m14 및 m17 내지 m20 은 각각 독립적으로 1 내지 4 의 정수이며, m5 는 1 또는 2 이며, m10, m11 및 m15 는 각각 독립적으로 1 내지 3 의 정수이며, m16 은 1 이며,
n 은 0 내지 4 의 정수이다.)A first electrode; Second electrode; And a photoelectric conversion layer disposed between the first electrode and the second electrode,
The photoelectric conversion layer is a light absorption layer; An organic layer containing a phosphine derivative compound represented by the following Chemical Formula 1 or the following Chemical Formula 2 formed between the light absorption layer and the second electrode; And a hole transport layer formed between the first electrode and the light absorption layer.
<Formula 1>
<Formula 2>
(Formula 1 and 2,
Y 1 and Y 2 are each independently oxygen, sulfur or selenium,
Ar 1 to Ar 6 are each independently a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, and the substitution is a halogen atom, cyano group, nitro group, It consists of an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 50 carbon atoms, a thio group having 1 to 50 carbon atoms, and a silyl group having 1 to 50 carbon atoms. ,
Ar is selected from the following structural formulas 1 to 4;
<Structure 1>
<Formula 2>
<Structure 3>
<Structure 4>
In structures 1 to 4,
Each X is independently a carbon, silicon, germanium, phosphorus or sulfur atom,
R 1 to R 20 are each independently hydrogen, halogen atom, cyano, nitro, substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted Substituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkynyl group having 1 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted A substituted C1-C50 silyl group, a substituted or unsubstituted C1-C50 amino group, or a substituted or unsubstituted C1-C50 boraneyl group, wherein R 1 to R 20 are each independently or together with an adjacent group Can form saturated or unsaturated rings,
m1 to m4, m6 to m9, m12 to m14 and m17 to m20 are each independently an integer of 1 to 4, m5 is 1 or 2, m10, m11 and m15 are each independently an integer of 1 to 3, m16 Is 1,
n is an integer of 0 to 4).
상기 화학식 1 또는 2에서 Y1 내지 Y3 가 산소인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
In the formula 1 or 2 Y 1 to Y 3 Is an organic solar cell, characterized in that oxygen.
상기 유기층이 상기 포스핀 유도체 화합물 및 극성 용매를 포함하는 코팅 조성물을 상기 광흡수층의 상면에 도포하고 건조하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
The organic solar cell, characterized in that the organic layer is formed by applying a coating composition comprising the phosphine derivative compound and a polar solvent on the upper surface of the light absorbing layer and dried.
상기 극성 용매가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 글리세롤, 프로필렌글리콜 및 1,3-부틸렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 알코올계 용매, 아세톤, 부타논 및 펜타논으로부터 선택되는 케톤계 용매, 에틸아세테이트 및 부틸아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 에스테르계 용매, 다이옥산 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 사이클릭에테르계 용매, 아세토나이트릴, 다이메틸포름아미드 및 다이메틸술폭사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method of claim 4,
The polar solvent is an alcohol solvent selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, glycerol, propylene glycol and 1,3-butylene glycol, a ketone solvent selected from acetone, butanone and pentanone, Cyclic ether solvent selected from the group consisting of ester solvents selected from the group consisting of ethyl acetate and butyl acetate, dioxane and tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethylformamide and dimethyl sulfoxide Organic solar cell, characterized in that the singly or a mixture thereof.
상기 유기층이 1 내지 30 nm로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
The organic solar cell, characterized in that the organic layer is formed to 1 to 30 nm.
상기 제1 전극 상에 정공전달 물질을 도포하여 정공수송층을 형성하는 단계;
상기 정공수송층 상에 정공수용체 및 전자수용체를 용매로 혼합시킨 혼합물을 도포하여 광흡수층을 형성하는 단계;
하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표현되는 포스핀 유도체 화합물 및 극성 용매를 포함하는 코팅 조성물을 광흡수층의 상면에 도포하고 건조하는 유기층 형성 단계; 및
상기 유기층 상에 도전성 금속 물질을 도포하여 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조 방법.
<화학식 1>
<화학식 2>
(화학식 1 및 2에서,
Y1 및 Y2 는 각각 독립적으로 산소, 황 또는 셀레늄이며,
Ar1 내지 Ar6 은 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기이며, 상기 치환은 할로겐 원자, 시아노기, 니트로기, 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 탄소수 5 내지 50 의 헤테로아릴기, 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 50 의 티오기, 탄소수 1 내지 50 의 실릴기에 의하여 이루어지며,
Ar 은 하기 구조식 1 내지 4 에서 선택되며;
<구조식 1>
<구조식 2>
<구조식 3>
<구조식 4>
구조식 1 내지 4에서,
X 는 각각 독립적으로, 탄소, 규소, 게르마늄, 인 또는 황 원자이며,
R1 내지 R20 은 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 시아노, 니트로, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50 의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 50의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 50 의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 50 의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 실릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 아미노기 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 50 의 보란일기이며, 상기 R1 내지 R20 은 각각 독립적으로 또는 인접한 기와 함께 포화 또는 불포화 고리를 형성할 수 있으며,
m1 내지 m4, m6 내지 m9, m12 내지 m14 및 m17 내지 m20 은 각각 독립적으로 1 내지 4 의 정수이며, m5 는 1 또는 2 이며, m10, m11 및 m15 는 각각 독립적으로 1 내지 3 의 정수이며, m16 은 1 이며,
n 은 0 내지 4 의 정수이다.)Applying a transparent electrode material on the substrate to form a first electrode;
Forming a hole transport layer by applying a hole transport material on the first electrode;
Forming a light absorption layer by applying a mixture of a hole acceptor and an electron acceptor mixed with a solvent on the hole transport layer;
An organic layer forming step of applying a coating composition comprising a phosphine derivative compound represented by the following formula (1) or (2) and a polar solvent on the upper surface of the light absorption layer and dried; And
And forming a second electrode by applying a conductive metal material on the organic layer.
<Formula 1>
<Formula 2>
(Formula 1 and 2,
Y 1 and Y 2 are each independently oxygen, sulfur or selenium,
Ar 1 to Ar 6 are each independently a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, and the substitution is a halogen atom, cyano group, nitro group, It consists of an aryl group having 6 to 50 carbon atoms, a heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 50 carbon atoms, a thio group having 1 to 50 carbon atoms, and a silyl group having 1 to 50 carbon atoms. ,
Ar is selected from the following structural formulas 1 to 4;
<Structure 1>
<Formula 2>
<Structure 3>
<Structure 4>
In structures 1 to 4,
Each X is independently a carbon, silicon, germanium, phosphorus or sulfur atom,
R 1 to R 20 are each independently hydrogen, halogen atom, cyano, nitro, substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted Substituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkynyl group having 1 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted A substituted C1-C50 silyl group, a substituted or unsubstituted C1-C50 amino group, or a substituted or unsubstituted C1-C50 boraneyl group, wherein R 1 to R 20 are each independently or together with an adjacent group Can form saturated or unsaturated rings,
m1 to m4, m6 to m9, m12 to m14 and m17 to m20 are each independently an integer of 1 to 4, m5 is 1 or 2, m10, m11 and m15 are each independently an integer of 1 to 3, m16 Is 1,
n is an integer of 0 to 4).
상기 극성 용매가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 글리세롤, 프로필렌글리콜 및 1,3-부틸렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 알코올계 용매, 아세톤, 부타논, 펜타논으로부터 선택되는 케톤계 용매, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 에스테르계 용매, 다이옥산, 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 사이클릭에테르계 용매, 아세토나이트릴, 다이메틸포름아미드 및 다이메틸술폭사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조 방법.The method according to claim 8,
The polar solvent is an alcohol solvent selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, glycerol, propylene glycol and 1,3-butylene glycol, a ketone solvent selected from acetone, butanone, pentanone, An ester solvent selected from the group consisting of ethyl acetate and butyl acetate, a cyclic ether solvent selected from the group consisting of dioxane, tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethylformamide and dimethyl sulfoxide Method for producing an organic solar cell, characterized in that the singly or a mixture thereof.
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