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KR101680555B1 - Polymer solar cell including rod-g-coil copolymer compatibilizer - Google Patents

Polymer solar cell including rod-g-coil copolymer compatibilizer Download PDF

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KR101680555B1
KR101680555B1 KR1020150105122A KR20150105122A KR101680555B1 KR 101680555 B1 KR101680555 B1 KR 101680555B1 KR 1020150105122 A KR1020150105122 A KR 1020150105122A KR 20150105122 A KR20150105122 A KR 20150105122A KR 101680555 B1 KR101680555 B1 KR 101680555B1
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KR
South Korea
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polymer
p3ht
solar cell
p2vp
copolymer
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김범준
김택수
김형준
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한국과학기술원
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

본 발명은 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폴리머와 풀러렌 유도체(fullerene derivative)의 벌크 이종접합(Bulk heterojunction) 구조를 가지는 활성층을 구비하는 폴리머 태양전지에 있어서, 상기 활성층에 알킬기가 부착된 전도성 고분자가 중합된 제1 폴리머와 풀러렌 유도체와의 초분자 상호반응이 가능한 제2 폴리머가 접합된 공중합체를 상용화제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에서는 폴리머(polymer)를 포함하는 전자주개 영역과 풀러렌 유도체(fullerene derivative)를 포함하는 전자받개 영역의 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 포함하는 활성층(active layer)을 포함하여 구성되며, 상기 활성층에는, 알킬기(alkyl group)가 부착된 전도성 고분자가 중합된 제1 폴리머; 및 상기 제1 폴리머의 하나 이상의 단위체(monomer)에 접합(graft)되어 공중합체를 형성하는 제2 폴리머를 포함하여 구성되는 상용화제(compatibilizer)가 포함되고, 상기 제2 폴리머는 상기 풀러렌 유도체와 초분자 상호반응(supramolecular interaction)을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지를 개시한다.
The present invention relates to a polymer solar cell comprising a rod-coil junction copolymer compatibilizer, and more particularly to a polymer solar cell comprising an active layer having a bulk heterojunction structure of a polymer and a fullerene derivative. The battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer comprises a copolymer in which a first polymer in which an alkyl group is attached to the active layer is polymerized with a first polymer and a second polymer in which a supramolecular interaction between the fullerene derivative and the second polymer is conjugated, .
The present invention comprises an active layer including a bulk heterojunction structure of an electron acceptor region including an electron donor region including a polymer and a fullerene derivative, The active layer may include a first polymer obtained by polymerizing a conductive polymer having an alkyl group attached thereto; And a second polymer that is grafted to one or more monomers of the first polymer to form a copolymer, wherein the second polymer comprises the fullerene derivative and the supramolecule A polymer solar cell capable of forming a supramolecular interaction.

Description

막대―코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지 {Polymer solar cell including rod-g-coil copolymer compatibilizer}Polymer solar cells including rod-g-coil copolymer compatibilizer including rod-coil junction copolymer compatibilizer [

본 발명은 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폴리머와 풀러렌 유도체(fullerene derivative)의 벌크 이종접합(Bulk heterojunction) 구조를 가지는 활성층을 구비하는 폴리머 태양전지에 있어서, 상기 활성층에 알킬기가 부착된 전도성 고분자가 중합된 제1 폴리머와 풀러렌 유도체와의 초분자 상호반응이 가능한 제2 폴리머가 접합된 공중합체를 상용화제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer solar cell comprising a rod-coil junction copolymer compatibilizer, and more particularly to a polymer solar cell comprising an active layer having a bulk heterojunction structure of a polymer and a fullerene derivative. The battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer comprises a copolymer in which a first polymer in which an alkyl group is attached to the active layer is polymerized with a first polymer and a second polymer in which a supramolecular interaction between the fullerene derivative and the second polymer is conjugated, .

최근 들어, 지구 온난화 등 환경 문제를 유발하는 화석 연료의 소비를 줄이고, 한정된 자원인 화석 연료의 고갈에 대비하기 위하여 태양광, 풍력, 해양, 지열, 수력 등 다양한 대체 에너지 개발 및 상용화를 위한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다. 이중에서도 특히 태양광을 이용한 전력 생산은 실용화에 가장 근접한 대체 에너지 중 하나로 받아들여지고 있다.In recent years, there have been many researches for the development and commercialization of various alternative energy sources such as solar, wind, marine, geothermal, and hydro power to reduce consumption of fossil fuels that cause environmental problems such as global warming and to prepare for depletion of fossil fuels Development is underway. In particular, solar power generation is considered to be one of the alternative energy sources closest to practical use.

태양광을 이용하여 전력을 생산하기 위해서는 태양전지가 사용되는데, 상기 태양전지를 크게 나누면 결정질 실리콘을 이용한 태양전지, 비결정질 실리콘을 이용한 태양전지, 폴리머 등 유기물을 이용한 태양전지 등으로 분류할 수 있다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 태양전지는 결정질 실리콘을 이용한 태양전지라고 할 수 있으나, 상기 결정질 실리콘 태양전지는 그 생산 단가가 매우 높기 때문에 전력 생산 단가가 상승하게 되어 종래의 에너지원을 전적으로 대체하기에는 어려움이 있다. 이에 대하여 폴리머 등을 이용하는 유기물 태양전지는 생산 단가가 매우 저렴하고, 재료의 특성상 유연성이 뛰어나 다양한 응용이 가능하다는 장점이 있어, 근래 집중적인 연구의 대상이 되고 있다. 그러나, 다른 태양전지의 광전환 효율(Power conversion efficiency, PCE)이 20%를 넘어서는 수준까지 개선되고 있는데 반하여, 유기물 태양전지의 경우 그 광전환 효율이 5% 내외에 그치고 있어, 이를 개선할 수 있는 방안이 요구되고 있다.Solar cells are used to produce electric power using solar light. The solar cell can be largely divided into a solar cell using crystalline silicon, a solar cell using amorphous silicon, and a solar cell using organic materials such as polymer. The most widely used solar cell is a crystalline silicon solar cell. However, since the crystalline silicon solar cell has a very high production cost, it is difficult to completely replace the conventional energy source because the power generation unit price rises . On the other hand, an organic solar cell using a polymer or the like has a merit that the production cost is very low, the flexibility is excellent due to the characteristics of the material, and various applications are possible. However, while the conversion efficiency (PCE) of other solar cells is improved to the level exceeding 20%, the light conversion efficiency of the organic solar cell is only about 5%, which can be improved There is a demand.

유기물 태양전지의 대표적인 종류라 할 수 있는 폴리머 태양전지(Polymer Solar Cell, PSC)의 경우에도 그 특성을 개선하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔으며, 이에 대한 가장 중요한 성과 중 하나는 전극으로 전하를 수송하는 침투 경로(percolating pathway)를 유지하면서도, 엑시톤(exciton) 확산(diffusion) 및 분리(dissociation) 영역에 근접하여 대면적의 전자주개(donor, D) 및 전자받개(acceptor, A)의 계면(interface)을 형성할 수 있는 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 구조의 개발이라고 할 수 있다. 현재 고효율 폴리머 태양전지(PSC) 분야에서 각광을 받고 있는 π-공액 중합체와 풀러렌 유도체(fullerene derivatives)로 이루어지는 벌크 이종접합(BHJ) 혼합물(blends)의 경우 광 전환 효율(Power Conversion Efficiency, PCE)이 최고 10%에 근접하고 있는 상황이다.Polymer solar cells (PSC), which is a representative type of organic solar cells, have been studied to improve their properties. Among them, one of the most important achievements is penetration The interface of the large area donor D and the acceptor A is close to the region of exciton diffusion and dissociation while maintaining the percolating pathway. The bulk heterojunction (BHJ) structure can be formed. In the case of bulk heterojunction (BHJ) blends consisting of π-conjugated polymers and fullerene derivatives, which are currently attracting attention in the field of high-efficiency polymer solar cells (PSC), the power conversion efficiency (PCE) It is close to 10%.

이와 같은 장점에도 불구하고, 폴리머/풀러렌의 벌크 이종접합(BHJ) 혼합물(blends)은 폴리머와 풀러렌 간의 상호 혼합이 어려운 특성으로 인하여 심각한 형상적 불안정성을 초래하게 되고, 이에 따라 전자주개/전자받개 간의 뚜렷한 계면(sharp interface) 및 낮은 점착력(adhesion)으로 인하여 약한 전자주개/전자받개 접합 구조를 형성하게 된다. 또한, 높은 효율을 가지는 벌크 이종접합(BHJ) 형상은 통상적으로 두 불혼합 물질 간의 스피노달 분리(spinodal decomposition) 과정에서 역학적 트래핑(kinetically trapping) 공정을 통하여 형성되게 된다. 따라서, 폴리머 태양전지(PSC) 등 소자를 구동시킴에 따라 열에 노출되면서, 상기 벌크 이종접합(BHJ)의 계면(interface)에서 매크로-상분리(macro-phase separation) 상태로 진행하게 되고, 결과적으로 태양전지 소자의 성능을 심각하게 열화시키게 된다. 나아가, 전자주개-전자받개 간의 뚜렷한 접합 계면, 낮은 수치의 점착력(adhesion) 및 연성(ductility)으로 인하여 활성층은 기계적으로 파손되기 쉬운 특성을 가지게 된다. 예를 들어, P3HT와 PCBM의 벌크 이종접합(BHJ) 혼합물(blends)은 순수한 폴리머보다 매우 높은 인장탄성도(tensile modulus)를 가지게 되는데, 이는 박막(thin film)에서 형성되는 크랙의 정도와 관련이 있다. 예를 들어, P3HT와 PCBM의 1:1 혼합물은 신축성 기판(stretchable substrate) 상에서 약 2% 정도의 변형률(strain)에도 쉽게 파손될 수 있다. 이러한 기계적 특성은 장기간의 사용에 있어 폴리머 태양전지(PSC)의 기계적인 내구성(integrity) 및 신뢰성(reliability)을 떨어뜨리는 문제를 유발하게 된다. 따라서, 벌크 이종접합(BHJ) 혼합물(blends)의 전자주개-전자받개 계면(interface)에 있어서의 상분리 및 기계적 문제점을 해결하기 위해서는 상기 구조에서의 형상적 불안정성을 개선할 필요가 있게 된다.Despite these advantages, the bulk heterojunction (BHJ) blends of polymers / fullerenes have severe geometrical instability due to the difficulty of intermixing the polymer and fullerene, Due to the sharp interface and low adhesion, a weak electron donor / electron donor junction structure is formed. In addition, a high efficiency bulk heterojunction (BHJ) shape is typically formed through a kinetic trapping process in the spinodal decomposition process between the two immiscible materials. As a result, it is exposed to heat as the polymer solar cell (PSC) or the like is driven, and proceeds to a macro-phase separation state at the interface of the bulk heterojunction (BHJ) The performance of the battery element is severely deteriorated. Furthermore, the active layer is susceptible to mechanical breakage due to a distinct bonding interface between the electron donor and the electron donor, low adhesion and ductility. For example, the bulk heterojunction (BHJ) blends of P3HT and PCBM have a much higher tensile modulus than pure polymers, which is related to the degree of cracking in the thin film have. For example, a 1: 1 mixture of P3HT and PCBM can easily break up to about 2% strain on a stretchable substrate. Such mechanical properties cause problems in that the mechanical durability and reliability of the polymer solar cell (PSC) is deteriorated in long-term use. Therefore, there is a need to improve the geometrical instability in the structure in order to solve the phase separation and mechanical problems in the electron donor-electron acceptor interface of bulk heterojunction (BHJ) blends.

상기와 같은 뚜렷한 계면 경계(sharp interface)에 따른 형상적 불안정성은 상용화제(compatibilizer)를 첨가함으로써 개선될 수 있는데, 이는 상기 계면에 상용화제를 적절하게 축적시켜 계면장력(interface tension)을 줄이고 접착력(adhesion)을 높임으로써, 계면을 형성하는 이종 물질 간의 부적절한 상호반응을 줄일 수 있기 때문이다. 이에 따라, 공액 중합체/풀러렌 유도체 벌크 이종접합(BHJ) 구조에서 P3HT와 풀러렌이 공유 결합된 이종 블록 공중합체를 상용화제로 사용하는 등 여러 종류의 상용화제가 시도되었다.Shape instability along the sharp interface as described above can be improved by adding a compatibilizer to appropriately accumulate the compatibilizer at the interface to reduce the interface tension and increase the adhesion force adhesion can be reduced to reduce inadequate interaction between the heterogeneous materials forming the interface. Thus, various commercial compatibilizers have been attempted, including heteroblock copolymers wherein a conjugated polymer of P3HT and fullerene is covalently bonded in a conjugated polymer / fullerene derivative bulk heterojunction (BHJ) structure.

그런데, 상기 상용화제들은 대부분 전자받개 상(acceptor phase)과 적절한 엔탈픽 상호반응(enthalpic interaction)을 형성할 수 있는 공유 결합된(covalently linked) 풀러렌 분자를 포함하게 되는데, 상기 공유 결합된 풀러렌을 포함하는 상용화제를 제조하는 것은 상당히 어려운 공정이라고 할 수 있다. 왜냐하면, 통상의 경우 중합 공정에 이어 후처리 공정(post polymerization step)을 거치게 되는데, 이때 풀러렌의 낮은 용해도(solubility)로 인하여 반응시 수율이 떨어지게 되기 때문이다. 또한, 보다 중요한 문제점은 풀러렌에 공유 결합을 추가하는 경우 폴리머 태양전지(PSC)의 동작 및 효율에 대한 결정적 요소라고 할 수 있는 에너지 준위 및 전자 이동도 등 전자받개의 전기적 특성이 심각하게 변화될 수 있다는 점이다. 특히, 이중 부가체(bis-adduct) 풀러렌 벌크 이종접합(BHJ) 시스템에 대한 적절한 상용화제의 개발은 개방 회로 전압(Voc) 및 광전환 효율(PCE)을 크게 개선할 수 있는 대안으로 여겨지고 있으나, 이중 부가체에 공유 결합이 추가되는 경우 3중 부가체(tris-adduct)를 형성하면서 전자 이동도 및 광전환 효율(PCE)을 심각하게 열화시킬 수 있어, 여전히 난제로 남아있다.However, most of the compatibilizers include covalently linked fullerene molecules capable of forming an appropriate enthalpic interaction with the acceptor phase, including the covalently bonded fullerenes It is a very difficult process to produce a compatibilizing agent. This is because, in general, the polymerization process is followed by a post polymerization step, in which the yield is lowered due to the low solubility of the fullerene. A more important problem is that when the covalent bond is added to the fullerene, the electrical characteristics of the electron acceptor such as energy level and electron mobility, which are crucial factors for the operation and efficiency of the polymer solar cell (PSC) . In particular, the development of suitable compatibilizers for bis-adduct fullerene bulk heterojunction (BHJ) systems has been considered as an alternative to significantly improve open circuit voltage (Voc) and light conversion efficiency (PCE) Addition of a covalent bond to a double adduct may seriously degrade the electron mobility and light conversion efficiency (PCE) while forming a tris-adduct, which is still a problem.

이에 대하여 상기한 문제점을 해결할 수 있는 대안으로 비공유(noncovalent) 상호반응을 이용하는 방안이 고려되고 있다. 예를 들어, 폴리비닐피리딘(polyvinylpyridine)과 같은 다전자(electron rich) 폴리머는 전자 결손(electron-deficient) 풀러렌 분자와 초분자(supramolecular) 상호반응을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이와 관련하여, Sary등은 "A New Supramolecular Route for Using Rod-Coil Block Copolymers in Photovoltaic Applications" (Advanced Materials 22(6), 763-768, 2010)에서 P3HT/PCBM 형상의 열적 안정성을 개선하기 위하여 P3HT-b-poly(4-vinylpyridine) (P4VP) 막대-코일 블록 공중합체를 상용화제로 사용하는 초분자 경로(supramolecular route)를 제안하였다. 그런데, 상기와 같이 P3HT 및 P4VP 의 블록 공중합체를 상용화제로 사용하는 경우 비공유 초분자 상호반응을 이용하여 벌크 이종접합 구조 활성층의 열적 안정성을 개선할 수 있다는 가능성을 보여주었을 뿐, 광전환 효율(PCE)이 1.5% 정도로 크게 떨어질 수 있고, 열적 안정성의 개선도 요구되는 등 많은 난제들이 남아있는 상황이다.As a countermeasure against this problem, a method of using a noncovalent interaction has been considered. For example, electron rich polymers such as polyvinylpyridine are known to exhibit supramolecular interactions with electron-deficient fullerene molecules. In order to improve the thermal stability of the P3HT / PCBM shape, Sary et al. Have proposed P3HT (P3HT) to improve the thermal stability of the P3HT / PCBM shape in "A New Supramolecular Route for Using Rod-Coil Block Copolymers in Photovoltaic Applications" (Advanced Materials 22 (6), 763-768, 2010) A supramolecular route using a -b-poly (4-vinylpyridine) (P4VP) rod-coil block copolymer as a compatibilizer was proposed. However, when the block copolymer of P3HT and P4VP is used as a compatibilizer as described above, the thermal stability of the bulk heterojunction structure active layer can be improved by using the non-covalent supramolecular interaction, And the thermal stability is also required to be improved.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 활성층의 벌크 이종접합 구조의 형상적 불안정성을 보완하여, 기계적/열적 안정성을 개선할 수 있고, 나아가 소자를 장시간 사용하더라도 광전환 효율 등 태양전지 특성의 열화를 억제할 수 있는 폴리머 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to improve the mechanical / thermal stability of a bulk heterojunction structure of an active layer by compensating for the shape instability of the bulk heterojunction structure. Further, It is an object of the present invention to provide a polymer solar cell capable of suppressing deterioration of solar cell characteristics such as efficiency.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 폴리머 태양전지는 폴리머(polymer)를 포함하는 전자주개 영역과 풀러렌 유도체(fullerene derivative)를 포함하는 전자받개 영역의 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 포함하는 활성층(active layer)을 포함하여 구성되며, 상기 활성층에는, 알킬기(alkyl group)가 부착된 전도성 고분자가 중합된 제1 폴리머; 및 상기 제1 폴리머의 하나 이상의 단위체(monomer)에 접합(graft)되어 공중합체를 형성하는 제2 폴리머를 포함하여 구성되는 상용화제(compatibilizer)가 포함되고, 상기 제2 폴리머는 상기 풀러렌 유도체와 초분자 상호반응(supramolecular interaction)을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a polymer solar cell including a bulk heterojunction structure of an electron acceptor region including an electron donor region including a polymer and an electron acceptor region including a fullerene derivative, Wherein the active layer comprises a first polymer obtained by polymerizing a conductive polymer having an alkyl group attached thereto; And a second polymer that is grafted to one or more monomers of the first polymer to form a copolymer, wherein the second polymer comprises the fullerene derivative and the supramolecule And is capable of forming supramolecular interaction.

이때, 상기 활성층에 포함되는 상기 상용화제의 일부 또는 전부는 상기 활성층의 전자주개 영역 및 전자받개 영역의 계면을 가로질러 분포할 수 있다.At this time, part or all of the compatibilizer contained in the active layer may be distributed across the interface between the electron donor region and the electron acceptor region of the active layer.

또한, 상기 상용화제의 제1 폴리머 부분의 일부 또는 전부는 상기 전자주개 영역에 위치하고, 상기 상용화제의 제2 폴리머 부분의 일부 또는 전부는 상기 전자받개 영역에 위치할 수 있다.Also, some or all of the first polymer portion of the compatibilizer may be located in the electron donor region, and some or all of the second polymer portion of the compatibilizer may be located in the electron acceptor region.

또한, 상기 제1폴리머의 알킬기에 포함되는 탄소 원자의 숫자는 4 내지 12의 범위 내에 있을 수 있다.In addition, the number of carbon atoms contained in the alkyl group of the first polymer may be in the range of 4 to 12.

또한, 상기 전도성 고분자는 티오펜(thiophene)일 수 있다.In addition, the conductive polymer may be thiophene.

또한, 상기 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))일 수 있다.Also, the conductive polymer may be P3HT (poly (3-hexylthiophene)).

또한, 상기 제2 폴리머는 폴리스티렌(polystyrene), P2VP(poly(2-vinylryridine)), P4VP, PMMA(poly(methyl methacrylate)), 폴리악타이드(polyactide), 폴리부타디엔(polybutadiene), 풀러렌 중 하나이거나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.Also, the second polymer may be one of polystyrene, poly (2-vinylryridine), P4VP, poly (methyl methacrylate), polyactide, polybutadiene, fullerene Or a mixture of two or more.

또한, 상기 폴리머 태양전지는 역상 벌크 이종접합 구조를 가질 수 있다.In addition, the polymer solar cell may have a reverse phase bulk heterojunction structure.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리머와 풀러렌 유도체(fullerene derivative)의 벌크 이종접합(Bulk heterojunction) 구조의 활성층을 구비하는 폴리머 태양전지에 있어서, 상기 활성층에 알킬기가 부착된 전도성 고분자가 중합된 제1 폴리머와 풀러렌 유도체와의 초분자 상호반응이 가능한 제2 폴리머가 접합된 공중합체를 상용화제로서 포함시킴으로써, 활성층의 벌크 이종접합 구조의 열적 안정성을 개선할 수 있고, 나아가 소자를 장시간 사용하더라도 광전환 효율 등 태양전지 특성의 열화를 억제할 수 있는 폴리머 태양전지를 구현하는 효과를 갖는다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a polymer solar cell including an active layer of a bulk heterojunction structure of a polymer and a fullerene derivative, wherein the conductive polymer having the alkyl group attached thereto is polymerized The thermal stability of the bulk heterojunction structure of the active layer can be improved by including the copolymer in which the second polymer capable of supramolecular interaction between the first polymer and the fullerene derivative is bonded as a compatibilizer, and further, even if the device is used for a long time, And has the effect of realizing a polymer solar cell capable of suppressing deterioration of solar cell characteristics such as efficiency.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제의 제조 방법 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체의 합성 공정 설명도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 P3HT/OXCBA 폴리머 태양전지의 광전환 효율 및 전류 밀도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 막대-코일 공중합체 비율에서의 태양전지의 광전환 효율 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리된 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지의 P3HT/OXCBA 활성층 필름의 열처리후 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 P3HT/PC61BM 및 P3HT/PC71BM 폴리머 태양전지의 광전환 효율 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지의 P3HT/PC61BM 활성층 필름의 열처리후 광학 현미경 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지의 P3HT/PCBM 활성층 필름의 열처리 전후 GI-WAXS 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지에서의 P3HT/PC61BM 활성층 필름과 P3HT/OXCBA 활성층 필름의 균열 에너지 비교 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 최저 에너지 상태의 D/A 혼합물에서의 P3HT-g-P2VP 및 P3HT-b-P2VP대한 밀도 시뮬레이션 결과 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
1 is a schematic view of a polymer solar cell including a rod-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a method for producing a rod-and-coil conjugated copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view of a synthesis process of a rod-and-coil conjugated copolymer according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph of light conversion efficiency and current density of a P3HT / OXCBA polymer solar cell including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph of the light conversion efficiency of a solar cell at various bar-coil copolymer ratios according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a transmission electron microscope (TEM) image of a P3HT / OXCBA active layer film of a polymer solar cell comprising a heat-treated rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention after heat treatment.
FIG. 7 is a graph of light conversion efficiency of P3HT / PC 61 BM and P3HT / PC 71 BM polymer solar cells including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention.
8 is an optical microscope image of a P3HT / PC 61 BM active layer film of a polymer solar cell including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention after heat treatment.
9 is a GI-WAXS image of a P3HT / PCBM active layer film of a polymer solar cell including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention before and after heat treatment.
10 is a graph showing a comparison of cracking energy of a P3HT / PC 61 BM active layer film and a P3HT / OXCBA active layer film in a polymer solar cell including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph of the density simulation results for P3HT-g-P2VP and P3HT-b-P2VP in a D / A mixture at the lowest energy state according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another Is used.

이하에서는, 본 발명에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지(100)의 예시적인 실시형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of a polymer solar cell 100 including a rod-coil junction copolymer compatibilizer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지(100)의 구성도를 도시하고 있다. 도 1(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지(100)는 전자주개(112)와 전자받개(114)가 벌크 이종접합(Bulk Heterojunction, BHJ) 구조를 이루는 활성층(110)을 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 활성층(110)에는 P3HT(122) 등 막대(rod) 구조의 폴리머와 P2VP(124) 등 코일(coil) 구조의 폴리머가 접합 구조를 이루는 막대-코일 접합 공중합체(120)가 포함될 수 있다.FIG. 1 illustrates a polymer solar cell 100 including a rod-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention. 1 (a), a polymer solar cell 100 including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention includes an electron donor 112 and an electron acceptor 114 The active layer 110 may include a polymer having a rod structure such as a P3HT 122 and a coil such as a P2VP 124. The active layer 110 may be formed of a material having a high dielectric constant, and a rod-coil junction copolymer 120 in which a polymer of a coil structure forms a junction structure.

보다 구체적으로, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지(100)는 폴리머(polymer)를 포함하는 전자주개(Donor, D)(112) 영역과 풀러렌 유도체(fullerene derivative)를 포함하는 전자받개(Acceptor, A)(114) 영역의 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 포함하는 활성층(active layer)(110)을 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 활성층(110)에는, 알킬기(alkyl group)가 부착된 티오펜(thiophene)이 중합된 제1 폴리머(122); 및 상기 제1 폴리머(122)의 하나 이상의 단위체(monomer)에 접합(graft)되어 공중합체를 형성하는 제2 폴리머(124)를 포함하여 구성되는 상용화제(compatibilizer)가 포함되며, 이때 상기 제2 폴리머(124)는 상기 풀러렌 유도체와 초분자 상호반응(supramolecular interaction)을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.More specifically, as can be seen in FIG. 1, a polymer solar cell 100 including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention includes an electron donor (Donor, And an active layer 110 including a bulk heterojunction structure of an area of an acceptor 114 that includes a dopant (D) 112 region and a fullerene derivative, And the active layer 110 may include a first polymer 122 polymerized with thiophene having an alkyl group attached thereto; And a second polymer (124) grafted to one or more monomers of the first polymer (122) to form a copolymer, wherein the second polymer (124) comprises a compatibilizer The polymer 124 is characterized in that it can form a supramolecular interaction with the fullerene derivative.

이때, 도 1(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 상용화제가 상기 활성층(110)의 전자주개 영역 및 전자받개 영역의 계면(interface)을 가로질러 분포하게 됨으로써, 상기 P3HT-풀러렌 유도체 사이의 뚜렷한 계면(sharp interface), 높은 계면 장력(interface tension), 낮은 접착력(adhesion) 등으로 인한 열적, 형상적 불안정성을 효과적으로 개선할 수 있게 된다. 나아가, 상기 상용화제의 제1 폴리머(122) 부분의 일부 또는 전부는 상기 활성층(110)의 전자주개(112) 영역에 위치하고, 상기 상용화제의 제2 폴리머(124) 부분의 일부 또는 전부는 상기 활성층(110)의 전자받개(114) 영역에 위치할 수 있다.1 (b), the compatibilizer is distributed across the interface between the electron donor region and the electron acceptor region of the active layer 110, so that a clear difference between the P3HT-fullerene derivatives It is possible to effectively improve the thermal and shape instability due to the sharp interface, high interface tension, low adhesion, and the like. Further, part or all of the first polymer 122 portion of the compatibilizer is located in the region of the electron donor 112 of the active layer 110, and a part or all of the second polymer 124 portion of the compatibilizer And may be located in the region of the electron acceptor 114 of the active layer 110.

또한, 도 1(c)에서는 상기 활성층(110)의 전자주개 영역 및 전자받개 영역의 계면(interface)을 가로질러 분포하는 막대-코일 블록 공중합체(P3HT-b-P2VP) 및 막대-코일 접합 공중합체(P3HT-g-P2VP)의 분포 시뮬레이션 결과를 예시하고 있다. 도 1(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 계면에서의 막대-코일 블록 공중합체(P3HT-b-P2VP) 및 막대-코일 접합 공중합체(P3HT-g-P2VP)의 분포 형상이 서로 다른 모습을 보일 것임을 확인할 수 있고, 이에 따라 상용화제로서의 특성도 달라질 수 있을 것임을 쉽게 알 수 있다.1 (c), a rod-coil block copolymer (P3HT-b-P2VP) distributed across the interface between the electron donor region and the electron acceptor region of the active layer 110 and a rod- (P3HT-g-P2VP) distribution simulation results. As shown in Fig. 1 (c), the distribution shapes of the rod-coil block copolymer (P3HT-b-P2VP) and the rod-coil junction copolymer (P3HT-g-P2VP) And it can be easily seen that the properties as a compatibilizer can be changed accordingly.

또한, 상기 활성층(110)은 P3HT 등 폴리머를 포함하여 이루어지는 전자주개(112)와 PC61BM, PC71BM, OXCBA 등 풀러렌 유도체를 포함하여 이루어지는 전자받개(114)를 포함하여 구성될 수 있다.The active layer 110 may include an electron donor 112 including a polymer such as P3HT and an electron acceptor 114 including fullerene derivatives such as PC 61 BM, PC 71 BM, and OXCBA.

또한, 상기 제1 폴리머(122)로서는 알킬기가 부착된 P3HT 등 티오펜의 폴리머를 사용할 수 있겠으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 P3HT 등으로 이루어지는 전자주개(112)에 효과적으로 내장될 수 있다면 제1 폴리머로서 사용될 수 있다. 또한 상기 제1 폴리머(122)를 구성함에 있어서 P3HT 등의 티오펜 외에도 다양한 전도성 고분자가 사용될 수도 있다. 티오펜은 그리나르 메타테시스(Grignard Metathesis, GRIM) 중합법으로 분자량과 분산도가 잘 조절된 폴리머를 제작할 수 있다는 장점을 가질 수 있으나, 이외에도 다른 전도성 고분자를 사용함으로써 폴리머 태양전지의 특성을 개선할 수도 있다.As the first polymer 122, a polymer of thiophene such as P3HT having an alkyl group attached thereto may be used. However, if it can be effectively embedded in the electron donor 112 made of P3HT or the like, Lt; / RTI > In forming the first polymer 122, various conductive polymers other than thiophene such as P3HT may be used. Thiophene may have the advantage of being able to produce a polymer with well-controlled molecular weight and dispersion by Grignard Metathesis (GRIM) polymerization method. However, the use of other conductive polymers improves the properties of polymer solar cells You may.

또한, 상기 알킬기는 폴리티오펜의 용해도를 높여 솔루션 공정 등으로 폴리머 태양전지(PSC)를 제작할 수 있도록 한다. 이때, 상기 알킬기에 포함되는 탄소 원자의 숫자(또는 알킬기의 숫자)에 따라 폴리머 태양전지의 특성이 달라질 수 있으며, 본 발명에서는 상용화제로서의 형상 및 특성을 고려하였을 때 4 내지 12의 범위 내에 있는 것이 바람직한 것으로 나타났다. In addition, the alkyl group can increase the solubility of the polythiophene to make a polymer solar cell (PSC) by a solution process or the like. The characteristics of the polymer solar cell may vary depending on the number of carbon atoms contained in the alkyl group (or the number of alkyl groups). In consideration of the shape and characteristics of the compatibilizer, Which is desirable.

또한, 상기 제2 폴리머(124)로서는 폴리스티렌(polystyrene), P2VP(poly(2-vinylryridine)), P4VP, PMMA(poly(methyl methacrylate)), 폴리악타이드(polyactide), 폴리부타디엔(polybutadiene) 중 하나를 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있으며, 나아가 풀러렌 유도체를 포함하여 구성되는 전자받개(114)의 특성을 고려하여 풀러렌을 상기 제2 폴리머(124)로 사용하는 것도 가능하다.The second polymer 124 may be at least one selected from the group consisting of polystyrene, poly (2-vinylryridine), P4VP, poly (methyl methacrylate), polyactide, polybutadiene Or a mixture of two or more of them may be used. Further, it is also possible to use fullerene as the second polymer 124 in consideration of the characteristics of the electron acceptor 114 including the fullerene derivative.

상기한 바와 같이 막대-코일 접합 공중합체(120)를 상용화제로서 활성층(110)에 포함되도록 함으로써, 전자주개(112)-전자받개(124) 간의 뚜렷한 계면, 높은 계면 장력(interface tension), 낮은 접착력(adhesion) 등으로 인한 열적, 형상적 불안정성을 보다 효과적으로 개선할 수 있게 된다.By including the rod-and-coil bonding copolymer 120 as a compatibilizing agent in the active layer 110 as described above, a clear interface between the electron donor 112 and the electron acceptor 124, a high interface tension, The thermal and shape instability due to adhesion and the like can be more effectively improved.

또한, 초분자(supramolecular) 상호반응은 풀러렌 유도체(fullerene derivatives) 전자받개(114)의 전기적 특성에 영향을 미치지 않으며, 이에 따라 이중 부가체(bis-adduct) 풀러렌 시스템을 포함하는 경우에도 그 효율을 열화시키지 않고 전자받개(114)의 종류에 무관하게 전반적으로 안정성을 개선할 수 있게 된다. 나아가, 더욱 중요한 것은 막대-코일 접합 공중합체(120)의 접합 구조가 최적 위치(preferential location)로부터의 에너지 페널티(energy penalties)를 줄이고 공중합체 사슬을 늘려줌(stretching)으로써, 도 1(b) 및 도 1(c)에서 볼 수 있는 유사한 부피 비율과 블록 길이를 가지는 선형 타입의 막대-코일 블록(block) 공중합체와 비교하더라도 상용화 효율(compatibilizing efficiency)을 더욱 개선할 수 있게 된다는 점이다.Further, the supramolecular interaction does not affect the electrical properties of the fullerene derivatives electron acceptor 114 and, therefore, even when a bis-adduct fullerene system is included, It is possible to improve the overall stability irrespective of the type of the electronic receiver 114. [ Furthermore, and more importantly, the bonding structure of the rod-coil junction copolymer 120 reduces energy penalties from the preferential location and stretches the copolymer chains, And even when compared with linear type rod-coil block copolymers having similar volume ratios and block lengths as seen in FIG. 1 (c), the compatibilizing efficiency can be further improved.

도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제의 제조 방법 순서도를 보여주고 있다. 본 발명의 막대-코일 접합 공중합체 상용화제의 제조 방법의 일 실시예로서는, 그리나르 메타테시스 중합법(GRIM)에 의하여 P3HT-아지드 폴리머를 제조하는 단계(S210), 라프트(RAFT) 중합법에 의하여 P2VP-알킨 폴리머를 제조하는 단계(S220) 및 고주파-도움 클릭 반응(microwave-assisted click reaction)을 통하여 P3HT-P2VP 접합(P3HT-g-P2VP) 공중합체를 제조하는 단계(S230)를 포함하여 구성될 수 있다.FIG. 2 shows a flowchart of a method for producing a rod-and-coil conjugated copolymer compatibilizing agent according to an embodiment of the present invention. One embodiment of the method for producing the rod-coil conjugated copolymer compatibilizing agent of the present invention includes a step (S210) of producing a P3HT-azide polymer by Grignard metathesis polymerization (GRIM), a RAFT polymerization (S230) of preparing a P3HT-P2VP conjugate (P3HT-g-P2VP) copolymer through a high-frequency-assisted click reaction .

아래에서는 상기 도2와 도3을 참조하여 본 발명에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제의 제조 방법을 P3HT-P2VP 접합(P3HT-g-P2VP) 공중합체의 예를 들어 자세하게 살핀다. Hereinafter, a method for producing a rod-and-coil joint copolymer compatibilizer according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3, for example, of a P3HT-P2VP (P3HT-g-P2VP) copolymer.

먼저, P3HT-아지드(P3HT-azide) 폴리머를 그리나르 메타테시스 중합법(GRIM)을 통하여 합성(S210)한다. 이때, 아지드 그룹은 P3HT-g-P2VP공중합체의 효과적인 합성과 정렬된 구조의 형성을 고려하여 낮은 다분산 지수(PDI) 값을 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예로서는 P3HT 골격 구조(backbone)에서 무작위로 분포하는 3-(azidohexyl)thiophene 단위체(monomer)는 5 몰 %의 비율로 조절되었다. 나아가, P3HT-아지드 폴리머를 반드시 그리나르 메타테시스(Grignard Metathesis, GRIM) 중합법에 의하여 합성하여야 하는 것은 아니며, P3HT-아지드 폴리머를 적절하게 합성할 수 있는 방법이라면 특별한 제한없이 적용이 가능하다.First, a P3HT-azide polymer is synthesized (S210) through Grignard metathesis polymerization (GRIM). At this time, it is preferable that the azide group has a low polydispersity index (PDI) value in consideration of effective synthesis of the P3HT-g-P2VP copolymer and formation of an aligned structure. In one embodiment of the present invention, a 3- (azidohexyl) thiophene monomer randomly distributed in a P3HT backbone was controlled in a proportion of 5 mol%. Further, the P3HT-azide polymer is not always required to be synthesized by Grignard Metathesis (GRIM) polymerization method, and can be applied without any particular limitations as long as it can appropriately synthesize a P3HT-azide polymer. Do.

상기 그리나르 메타테시스(GRIM) 중합법을 이용하여 P3HT-아지드(P3HT-azide) 폴리머를 합성하는 방법을 보다 자세하게 살피면 아래와 같다. P3HT-아지드 폴리머를 합성하기 위해서 먼저 2,5-디브로모-3-(6-브로모헥실)티오펜(2.5-dibromo-(3-(6-bromohexyl)thiophene))과 2,5-디브로모-3-헥실티오펜(2.5-dibromo-(3-hexylthiophene))의 혼합물에서 시작하였다. 상기 혼합물은 질소, 아르곤 등과 같은 비활성 기체 분위기에서 테트라 하이드로 퓨레인(Tetrahydro furane:THF)을 용매로 삼아 아이소프로필 마그네슘 클로라이드(Isopropyl-magnesium chloride)와 함께 섭씨 0도 내지 20도의 범위에서 혼합된다. A detailed description of a method for synthesizing P3HT-azide polymer using the Grignard metathesis (GRIM) polymerization method is as follows. In order to synthesize P3HT-azide polymer, 2,5-dibromo-3- (6-bromohexyl) thiophene) and 2,5- Starting from a mixture of dibromo-3-hexylthiophene. The mixture is mixed with isopropyl-magnesium chloride in the range of 0 to 20 degrees Celsius with tetrahydrofurane (THF) as a solvent in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon and the like.

이어서, 중합개시제로서 Ni(dppp)Cl2 현탁액을 상기 혼합물에 첨가하여 중합 반응을 개시한다. 상기 혼합물에 염산, 질산 등의 산 용액을 첨가하여 중합 반응을 퀀칭(quenching)시킨 후 암모니아 등의 염기성 용액으로 용액의 산성도를 중화시킨 후 여과한다.Subsequently, a Ni (dppp) Cl2 suspension as a polymerization initiator is added to the mixture to initiate the polymerization reaction. An acid solution such as hydrochloric acid or nitric acid is added to the mixture to quench the polymerization reaction, neutralize the acidity of the solution with a basic solution such as ammonia, and then filter it.

메탄올, 에탄올, 헥산 등 폴리(3-헥실티오펜) 고분자는 녹이지 않고, 올리고머(Oligomer) 등 불순물은 용해되는 용매를 사용하여 속실렛 추출법(Soxhlet extraction)으로 불순물을 제거한 후 건조시키면 P3HT-아지드 폴리머의 중간체인 P3HT-브롬 폴리머를 얻을 수 있게 된다.The poly (3-hexylthiophene) polymer such as methanol, ethanol, and hexane does not dissolve and the impurities such as oligomers are dissolved. After removal of the impurities by Soxhlet extraction method and drying, P3HT- A P3HT-bromine polymer which is an intermediate of the zwitter polymer can be obtained.

이어서, 상기 P3HT-브롬 폴리머를 용액 내 결정 유도 현상을 위해 사용 될 수 있는 용매 예를 들면 테트라 하이드로 퓨레인(Tetrahydro furane:THF) 또는 클로로포름에서 선택된 용매에 용해시키고, 아지드 기의 형성을 위해 질화나트륨(NaN3)과 18-crown-6를 알코올, 디하이드로퓨레인(Dihydro furane:DMF) 등의 극성 용매에 균일하게 용해시킨 후 극성용매에서 선택된 용매로 아지드 이온을 전달 할 수 있는 상전달제 (Phase transfer agent) 인 헥사옥사사이클로옥타데케인 (1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadecane)과 혼합하고, 섭씨 40~50도를 유지하며 비활성 기체 분위기에서 8시간 정도 상기 P3HT-브롬 폴리머 용액과 혼합시킨다. 이후, 상기 혼합액을 여과 한 후 잔여 질화나트륨(NaN3)을 포함한 불순물을 메탄올, 에탄올 등의 알코올을 용매로 사용한 속실렛 추출법으로 제거하고 진공 건조를 거치면 P3HT-아지드를 얻을 수 있게 된다.The P3HT-Bromine polymer is then dissolved in a solvent that can be used for crystal induction in solution, such as Tetrahydrofurane (THF) or a solvent selected from chloroform, and nitrided to form an azide group In order to dissolve sodium (NaN 3 ) and 18-crown-6 in a polar solvent such as alcohol and dihydro furane (DMF) uniformly, the azide ion can be transferred to the solvent selected in the polar solvent. (4, 7, 10, 13, 16-hexaoxacyclooctadecane), which is a phase transfer agent, maintained at 40 to 50 degrees Celsius and maintained in an inert gas atmosphere for about 8 hours, Bromine polymer solution. Thereafter, the mixed solution is filtered, and impurities including residual sodium nitrite (NaN 3 ) are removed by the Soxhlet extraction method using alcohol such as methanol or ethanol as a solvent, and vacuum drying is performed to obtain P3HT-azide.

또한, P2VP-알킨 폴리머는 라프트(Reversible Addition-Fragmentation Transfer, RAFT) 중합법을 통하여 합성(S220)될 수 있다. 상기 라프트(RAFT) 중합법을 이용하여 P2VP-알킨 폴리머를 합성하는 것은 종래 기술에 따라 특별한 어려움 없이 가능하므로 여기서는 자세하게 살피지 않는다. 알킨 종단 라프트(alkyne-terminated RAFT) 사슬 이동제(chain transfer agent)도 종래 기술에 따라 준비가 가능하다.Also, the P2VP-alkyne polymer may be synthesized (S220) through a Reversible Addition-Fragmentation Transfer (RAFT) polymerization method. Synthesis of P2VP-alkyne polymer using the RAFT polymerization method is possible without any particular difficulty according to the prior art, so it is not discussed in detail here. An alkyne-terminated RAFT chain transfer agent can also be prepared according to the prior art.

또한, 이 경우에도 마찬가지로 P2VP-알킨 폴리머를 반드시 라프트(Reversible Addition-Fragmentation Transfer, RAFT) 중합법에 의하여 합성하여야 하는 것은 아니며, P2VP-알킨 폴리머를 적절하게 합성할 수 있는 방법이라면 특별한 제한없이 적용이 가능하다.Also, in this case as well, the P2VP-alkyne polymer is not necessarily synthesized by the Reversible Addition-Fragmentation Transfer (RAFT) polymerization method, and if the P2VP-alkyne polymer can be appropriately synthesized, It is possible.

이어서, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 구리(I)-촉매 클릭 반응(Copper(I)-catalyzed click reaction)을 통하여 P2VP-알킨 폴리머가 P3HT-아지드 폴리머와 결합(couple)되면서, 1 ~ 0.19의 다양한 P3HT 부피 비율(volume fraction)(fP3HT)을 가지는 P3HT-g-P3VP 공중합체가 합성(S230)될 수 있다. 또한, 상기 클릭 반응을 진행함에 있어, 상기 P3HT-아지드 폴리머와 P2VP-알킨 폴리머를 THF 또는 클로로포름 등의 용매에 용해하여 진행하는 것이 바람직하다.The P2VP-alkene polymer is then coupled with the P3HT-azide polymer through a copper (I) -catalyzed click reaction as shown in Figure 3, A P3HT-g-P3VP copolymer having various P3HT volume fractions (f P3HT ) can be synthesized (S230). Further, in proceeding the click reaction, it is preferable that the P3HT-azide polymer and the P2VP-alkyne polymer are dissolved in a solvent such as THF or chloroform.

이때, 아지드 그룹은 빛 또는 열에 의하여 효과적으로 교차 연결이 가능한(cross-linkable) 단위(unit)로 알려져 있으므로, P3HT-아지드 폴리머 및 P2VP-알킨 폴리머 간의 클릭 반응(click reaction)이 완전하게 이루어지도록 하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라, P3HT-g-P2VP 공중합체의 미반응 아지드의 존재로 인하여 P3HT-g-P2VP 공중합체 간의 자기 교차 연결(self-cross-linking)의 발생 가능성을 억제하기 위하여 고주파-도움 클릭 반응(microwave-assisted click reaction)을 이용하는 것이 바람직하다.At this time, the azide group is known to be a cross-linkable unit that is effectively crosslinked by light or heat, so that the click reaction between the P3HT-azide polymer and the P2VP-alkene polymer is completed Is very important. Thus, in order to suppress the possibility of self-cross-linking between P3HT-g-P2VP copolymers due to the presence of unreacted azides of the P3HT-g-P2VP copolymer, a high- microwave-assisted click reaction).

실시예 : 막대-코일 접합 공중합체와 막대-코일 블록 공중합체의 합성, 이를 이용한 폴리머 태양전지의 제작 및 특성 실험Examples: Synthesis of rod-coil junction copolymers and rod-coil block copolymers, fabrication and characterization of polymer solar cells using the same

상기한 일련의 과정을 통하여 도 3에서와 같이 P3HT-P2VP 접합(P3HT-g-P2VP) 및 P3HT-P2VP 블록(P3HT-b-P2VP) 공중합체가 아지드-기능화된(azide-functionalized) P3HT 및 알킨-종단(alkyne-terminated) P2VP 간의 고주파-도움 클릭 반응(microwave-assisted click reaction)을 이용하여 합성되었다. 접합 또는 블록 구조를 형성하기 위하여, 두 종류의 아지드-기능화된(azide-functionalized) P3HT가 그리나르 메타테시스(Grignard Metathesis) 중합법을 통하여 제작되었는데, 이중 하나에는 알킬 사슬의 종단에 아지드기가 부착(P3HT-alkyl azide)되었고, 다른 하나에는 아지드기가 폴리머 사슬의 종단에 부착(P3HT-end azide)되었다. 반응 시간 및 농도 등을 포함하는 중합 반응 조건은 상기 양 P3HT 폴리머들이 비슷한 분자량(Mn(P3HT-alkyl azide) = 6.8kg/mol, Mn(P3HT-end azide) = 6.4kg/mol)과 좁은 분포의 다분산지수(polydiversity index, PDI)를 가지도록 조심스럽게 조절되었다. 3-(azidohexyl)thiophene 단위체(monomer)의 조성은 H-NMR에 의해서 확인되었고, 또한 그 농도는 하나의 P3HT-알킬 아지드 사슬이 평균 두개의 아지드 유닛(azide unit)을 포함할 수 있도록 5 mol%로 조절하였다. P3HT-end azide의 종단 그룹 기능화를 잘 조절하기 위하여, 먼저 비닐기 종단 처리된(vinyl end capped) P3HT가 종래 기술에 따라 중합되었고, 이어서 비닐 그룹을 하이드록실 및 아지드 그룹으로 전환하였다. 상기한 일련의 과정을 거쳐 합성된 비닐 종단 처리된 P3HT는 매우 균일한 브롬/비닐 종단 그룹을 포함하고 있음을 MADL-TOF 분석으로 확인할 수 있었으며, 비닐 그룹의 대치 반응(substitution reaction)은 H-NMR 및 FT-IR 에 의하여 감지할 수 있었다. 최종적으로, 상기한 일련의 과정을 거쳐 잘 정의된(well-defined) 단일-기능화된(mono-functionalized) P3HT-end azide를 얻을 수 있었다. 이와 함께, 다양한 Mn , P2VP 분자량 값을 가지는 일련의 P2VP-alkyne이 알킨-종단 RAFT(Reversible Addition-Fragmentation Transfer) 사슬 전사제(chain transfer agent)를 이용하여 중합되었다. 이어서, 상기와 같이 형성된 P2VP-alkyne 폴리머는 P3HT-alkyl azide 및 P3HT-end azide와 고주파-도움 클릭 반응(microwave-assisted click reaction)을 통하여 결합되어, P3HT의 부피 비율(fP3HT)이 각각 대응되는 두 범위(fP3HT = 0.43 ~ 0.47 또는 0.34 ~ 0.36)를 가지는 일련의 P3HT-g-P2VP및 P3HT-b-P2VP를 형성하였다. 이때 P3HT의 분자량(Mn) 및 다분산지수(PDI)는 폴리스티렌(PS)로 교정된(calibrated) 사이즈 배제 크로마토그래피(Size Exclusion Chromatography, SEC)로 측정되었고, 상기 4종류의 공중합체에 대한 화학적 구조 및 부피 비율은 1H-NMR에 의하여 확인되었다. 아래의 표 1에서는 상기 일련의 P3HT-g-P2VP및 P3HT-b-P2VP 공중합체의 특성을 요약하여 보여주고 있다. The P3HT-P2VP (P3HT-g-P2VP) and P3HT-P2VP blocks (P3HT-b-P2VP) copolymers were prepared by azide-functionalized P3HT and Were synthesized using a microwave-assisted click reaction between alkyne-terminated P2VPs. Two types of azide-functionalized P3HT were prepared by Grignard Metathesis polymerization to form a junction or block structure, one of which was an azide at the end of the alkyl chain (P3HT-alkyl azide), while the azide group was attached to the end of the polymer chain (P3HT-end azide). The polymerization reaction conditions including reaction time and concentration, etc. is the amount of P3HT similar polymers have a molecular weight (M n (P3HT-alkyl azide ) = 6.8kg / mol, M n (P3HT-end azide) = 6.4kg / mol) and narrow Was carefully adjusted to have a polydiversity index (PDI) of distribution. The composition of the 3- (azidohexyl) thiophene monomer was confirmed by 1 H-NMR, and its concentration was determined to be 5 (5) such that one P3HT-alkyl azide chain contained an average of two azide units. mol%. In order to better control the termination group functionalization of P3HT-end azide, the vinyl end capped P3HT was polymerized according to the prior art and then the vinyl groups were converted to hydroxyl and azide groups. The vinyl-terminated P3HT synthesized through the series of steps described above was confirmed to contain a very uniform bromine / vinyl terminated group by MADL-TOF analysis. The substitution reaction of the vinyl group was confirmed by 1 H-NMR And FT-IR. Finally, a well-defined mono-functionalized P3HT-end azide was obtained through a series of the above procedures. In addition, a series of P2VP-alkynes with various M n , P2VP molecular weight values were polymerized using an alkyne-terminated Reversible Addition-Fragmentation Transfer (RAFT) chain transfer agent. The P2VP-alkyne polymer thus formed is then coupled to the P3HT-alkyl azide and the P3HT-end azide via a microwave-assisted click reaction, such that the volume ratios (f P3HT ) of the P3HT correspond respectively A series of P3HT-g-P2VP and P3HT-b-P2VP having two ranges (f P3HT = 0.43 to 0.47 or 0.34 to 0.36) were formed. The molecular weight (M n) and polydispersity index (PDI) of the P3HT was measured with the (calibrated) size exclusion chromatography (Size Exclusion Chromatography, SEC) calibrated with polystyrene (PS), a chemical for the copolymers of the four kinds of The structure and volume ratio were confirmed by < 1 > H-NMR. Table 1 below summarizes the properties of the series of P3HT-g-P2VP and P3HT-b-P2VP copolymers.

P3HT-P2VP
공중합체
P3HT-P2VP
Copolymer
유형type Mn , P3HT
[g/mol]
M n , P3HT
[g / mol]
P3HT
PDI
P3HT
PDI
Mn , P2VP
[g/mol]
M n , P2VP
[g / mol]
P2VP
PDI
P2VP
PDI
fP3HT f P3HT
P3HT-g-P2VP
(0.43)
P3HT-g-P2VP
(0.43)
접합
(5 mol%)
join
(5 mol%)
6.8K6.8K 1.181.18 4.6K4.6K 1.131.13 0.430.43
P3HT-g-P2VP
(0.34)
P3HT-g-P2VP
(0.34)
7.1K7.1K 1.101.10 0.340.34
P3HT-b-P2VP
(0.47)
P3HT-b-P2VP
(0.47)
블록block 6.0K6.0K 1.091.09 6.9K6.9K 1.101.10 0.470.47
P3HT-b-P2VP
(0.36)
P3HT-b-P2VP
(0.36)
11.7K11.7K 1.141.14 0.360.36

상기한 일련의 과정을 통하여 합성된, 구조적으로 잘 정의된(well-defined) P3HT-g-P2VP및 P3HT-b-P2VP 막대-코일 공중합체는 P3HT 및 PC61BM, PC71BM, OXCBA 등 여러 풀러렌 유도체(fullerene derivatives)를 포함하는 역상 벌크 이종접합 폴리머 태양전지(inverted type of BHJ PSC) 소자에 적용되었다. 여기서 역상 폴리머 태양전지의 구조가 사용된 것은, 스핀 코팅 공정 중에 P2VP가 우선적으로 산화물(oxide)이나 대전면(charged surface) 상에 코팅되기 때문에, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiphene):poly(styrenesulfonate))의 상부에 비전도성 P2VP 레이어를 형성할 수 있어 이를 방지하기 위한 것이다. 또한, 역상 폴리머 태양전지는 통상적인 구조의 태양전지에 비하여 보다 높은 일함수를 가지는 금속을 사용할 수 있어 소자의 안정성을 향상시킬 수 있고, 비진공 코팅 공정을 사용한 상부 전극의 형성이 가능하여 제조 공정을 단순화하고 제조 단가를 낮출 수 있는 등 다양한 장점을 가질 수 있게 된다. The structurally well-defined P3HT-g-P2VP and P3HT-b-P2VP rod-coil copolymers synthesized through the series of processes described above can be synthesized from P3HT and PC 61 BM, PC 71 BM, OXCBA, And applied to inverted type of BHJ PSC devices including fullerene derivatives. The structure of the reversed-phase polymer solar cell is used because the P2VP is preferentially coated on the oxide or charged surface during the spin coating process. Therefore, PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (non-conductive P2VP layer) can be formed on top of the styrenesulfonate. In addition, a reversed-phase polymer solar cell can use a metal having a higher work function than a solar cell having a conventional structure, thereby improving the stability of the device, and it is possible to form an upper electrode using a non- And the manufacturing cost can be lowered.

본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지(100)의 제작 과정을 다음과 같다. 먼저, ITO-코팅된 유리 기판들이 아세톤, 2% 비누 용액, 탈이온수를 거쳐 이소-프로판올을 포함하는 여러 종류의 용매(solvent) 시스템에서 초음파 처리되었다. ZnO는 졸-겔(sol-gel) 공정으로 제조되었는데, zinc acetate dihydra·te (Zn(O2CCH3)2·H2O)2, 99.9%, 1 g) 및 ethanolamine (HOCH2CH2NH2, 99.5%, 0.28 g)을 무수(anhydrous) 2-methoxy ethanol (10 mL)에 24시간 이상 활발한 교반을 통하여 용해시켜, 가수분해 반응(hydrolysis reaction)을 진행시켰다. 이어서, 약 40nm의 두께를 가지는 ZnO 박막 필름을 상기 졸-겔(sol-gel) 전구체(precursor) 용액을 4000rpm에서 스핀-코팅하여 ITO 기판의 상부에 형성하였다. 상기 필름은 대기 중에서 200?에서 1시간 동안 가열되었다. ZnO 층을 형성한 후, 이후 공정들은 질소 환경의 글로브 박스에서 이루어졌다. P3HT/PCBM 또는 PC71BM(1:0.67wt%)와 P3HT 농도가 60mg/ml인 P3HT/OXCBA(1:0.6wt%)를 ODCB에 용해하고 90°C에서 24시간 이상 교반하였다. 제조된 용액은 0.2μm PTFE 시린지 필터로 걸러졌다. 혼합 용액(P3HT/ (PCBM, PC71BM 또는 OXCBA) + P3HT-g-P2VP 또는 + P3HT-b-P2VP)은 15mg/ml의 P3HT 농도로 제조되었고, P3HT에 대한 폴리머의 중량비는 0% 에서 15% 범위로 조절되었다. 활성층 혼합 용액은 ITO/ZnO 기판 상에 900rpm에서 40초 동안 스핀 캐스팅 되었다. 다음으로, PEDOT:PSS(VAITRON AI 4083)가 전술한 기판의 상부에 약 40n 두께의 부드러운 층을 형성하기 위한 공정 첨가제로 X-triton 100(1-1.5wt%)를 사용하여 4000rpm에서 스핀 캐스팅 되었으며, 이어서 120°C에서 10분 동안 글로브 박스 내에서 열처리되었다. 마지막으로, 소자를 완성하기 위하여 상부 전극으로서 100nm 은 필름이 고진공(<10-6 Torr) 환경에서 열 증착(thermally evaporated)되었다. 제조된 소자의 활성층 면적은 0.09cm2이었다. 상기 제조된 소자의 광발전(photovoltaic) 특성은 AM 1.5G 필터를 구비한 태양광 시뮬레이터(Peccell)를 사용하여 측정되었다. 태양광 시뮬레이터의 강도는 AIST-검증 실리콘 광다이오드를 사용하여 교정(calibration)되었다. 전류-전압 특성은 Keithley 2400 SMU를 사용하여 측정되었다.A process for producing a polymer solar cell 100 including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention is as follows. First, ITO-coated glass substrates were ultrasonicated in a variety of solvent systems including acetone, 2% soap solution, deionized water and iso-propanol. ZnO was prepared by a sol-gel process using zinc acetate dihydra te (Zn (O 2 CCH 3 ) 2 .H 2 O) 2 , 99.9%, 1 g) and ethanolamine (HOCH 2 CH 2 NH 2 , 99.5%, and 0.28 g) were dissolved in anhydrous 2-methoxy ethanol (10 mL) for 24 hours or more with vigorous stirring to proceed a hydrolysis reaction. Then, a ZnO thin film having a thickness of about 40 nm was formed on the ITO substrate by spin-coating the sol-gel precursor solution at 4000 rpm. The film was heated in the atmosphere at 200? For 1 hour. After forming the ZnO layer, the subsequent processes were performed in a glove box in a nitrogen environment. P3HT / PCBM or PC 71 BM (1: 0.67wt%) and P3HT / OXCBA (1: 0.6wt%) having a P3HT concentration of 60mg / ml were dissolved in ODCB and stirred at 90 ° C for more than 24 hours. The prepared solution was filtered with a 0.2 μm PTFE syringe filter. Mixed solution (P3HT / (PCBM, PC 71 BM or OXCBA) + P3HT-g-P2VP or + P3HT-b-P2VP) was made of P3HT concentration of 15mg / ml, the weight ratio of the polymer for the P3HT is from 0% to 15 %. &Lt; / RTI &gt; The active layer mixed solution was spin cast on ITO / ZnO substrate at 900 rpm for 40 seconds. Next, PEDOT: PSS (VAITRON AI 4083) was spin cast at 4000 rpm using X-triton 100 (1-1.5 wt%) as a process additive to form a soft layer about 40n thick on top of the above-described substrate , Followed by a heat treatment in a glove box at 120 ° C for 10 minutes. Finally, 100 nm as the top electrode was thermally evaporated in a high vacuum (<10 -6 Torr) environment to complete the device. The active layer area of the fabricated device was 0.09 cm &lt; 2 & gt ;. The photovoltaic characteristics of the fabricated device were measured using a solar simulator (Peccell) equipped with an AM 1.5G filter. The intensity of the solar simulator was calibrated using an AIST-verified silicon photodiode. The current-voltage characteristics were measured using a Keithley 2400 SMU.

이어서, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 동일한 중량의 4종류의 공중합체가 포함된 일련의 P3HT/OXCBA 벌크 이종접합 소자에 대하여 150°C에서의 열처리 시간을 달리하면서 그 성능을 측정하였다. P3HT에 대한 막대-코일 공중합체의 중량비는 혼합물(blends)에서의 P3HT의 중량을 고려하여 0 ~ 15% 범위에서 조절되었고, 이때 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 초기 광전환 효율(PCE) 수치를 최대로 할 수 있든 중량비 최적치 값은 약 5%로 나타났다. 동일한 조건에서 형성된 4종류의 막대-코일 공중합체를 5% 포함하는 최적화된 P3HT/OXCBA 소자는 종래의 소자와 비슷한 성능 특성을 보였고, 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 상용화제는 폴리머 태양전지(PSC)의 초기 동작 특성에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지(100)는 아래의 표2 및 도 4(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 150°C의 온도에서 열처리를 거친 후에도 매우 향상된 열적 안정성을 보여주었다.Then, as shown in FIG. 4, the performance of the series of P3HT / OXCBA bulk heterojunction devices including four kinds of copolymers of the same weight was measured while varying the heat treatment time at 150 ° C. The weight ratio of the rod-coil copolymer to P3HT was adjusted in the range of 0 to 15%, taking into account the weight of P3HT in the blends, where the initial light conversion efficiency (PCE) The maximum value of the weight ratio was about 5%. Optimized P3HT / OXCBA devices comprising 5% of the four rod-coil copolymers formed under the same conditions showed performance characteristics similar to those of the conventional device. Therefore, the compatibilizer according to one embodiment of the present invention is a polymer solar cell PSC) in the initial operation characteristic of the first embodiment. Further, the polymer solar cell 100 including the rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention can be manufactured at a temperature of 150 ° C as shown in Table 2 and FIG. 4 (a) And showed very improved thermal stability even after heat treatment.

열처리 시간(시간)Heat treatment time (hours) 개방전압(V)Open-circuit voltage (V) 단락전류밀도(mA/cm2)Short circuit current density (mA / cm 2 ) 필팩터(FF)Fill factor (FF) 광전환 효율(%)Light conversion efficiency (%) P3HT/OXCBAP3HT / OXCBA 0.50.5 0.870.87 9.309.30 0.610.61 4.944.94 7272 0.490.49 7.487.48 0.440.44 1.611.61 P3HT-g-P2VP
(0.43)
P3HT-g-P2VP
(0.43)
0.50.5 0.890.89 9.289.28 0.630.63 5.215.21
7272 0.840.84 9.209.20 0.600.60 4.654.65 P3HT-g-P2VP
(0.34)
P3HT-g-P2VP
(0.34)
0.50.5 0.880.88 9.199.19 0.640.64 5.125.12
7272 0.810.81 8.938.93 0.600.60 4.374.37 P3HT-b-P2VP
(0.47)
P3HT-b-P2VP
(0.47)
0.50.5 0.890.89 9.309.30 0.610.61 5.115.11
7272 0.760.76 7.647.64 0.580.58 3.363.36 P3HT-b-P2VP
(0.36)
P3HT-b-P2VP
(0.36)
0.50.5 0.890.89 8.508.50 0.630.63 4.824.82
7272 0.770.77 7.177.17 0.520.52 2.882.88

특히, 5wt%의 P3HT-g-P2VP(0.43)을 포함하는 소자는 월등한 열적 안정성을 보여, 150°C의 온도에서 72시간의 장시간 열처리를 거친 후에도 4.6%를 넘는 광전환 효율(PCE)을 나타내었으며, 이는 현재까지 보고된 P3HT에 기반한 벌크 이종접합 소자들 중에서 가장 안정된 열적 특성을 가지는 경우라고 할 수 있다. In particular, devices containing 5 wt% of P3HT-g-P2VP (0.43) exhibit superior thermal stability and show a light conversion efficiency (PCE) of greater than 4.6% even after 72 h of extended heat treatment at a temperature of 150 ° C , Which is the most stable thermal property among the bulk heterojunction devices based on P3HT reported so far.

이와 대조적으로, 순수한 P3HT/OXCBA 혼합물을 포함하는 소자의 광전환 효율(PCE)은 150°C의 온도에서 72시간의 장시간 열처리를 거친 후 초기 광전환 효율(PCE) 수치의 1/3로 떨어졌다. 이러한 열적 안정성에서의 성능 차이는 막대-코일 공중합체가 계면(interface)에 분포하면서 계면 장력(interfacial tension)을 효과적으로 감소시키고, 또한 통상 장시간 열처리에 의하여 발생할 수 있는 전자주개/전자받개(P3HT/OXCBA) 간의 상분리(phase separation)를 억제하게 되기 때문이다. In contrast, the light conversion efficiency (PCE) of a device containing a pure P3HT / OXCBA mixture fell to 1/3 of the initial light conversion efficiency (PCE) value after a long 72 hour heat treatment at a temperature of 150 ° C . This difference in thermal stability is due to the fact that the rod-and-coil copolymer distributes at the interface and effectively reduces the interfacial tension, and also the electron donor / electron acceptor (P3HT / OXCBA The phase separation between the first and second semiconductor layers is suppressed.

또한, 접합 공중합체를 포함하는 태양전지가 블록 공중합체를 사용하는 경우보다 더욱 높은 열적 안정성을 가진다는 것도 확인할 수 있다. 예를 들어, 150°C의 온도에서 72시간의 열처리를 거친 후, 5wt%의 P3HT-b-P2VP(0.43)를 포함하는 태양전지는 광전환 효율(PCE)이 상당히 감소되어 3.36%를 나타내었고, 또한 5wt%의 P3HT-b-P2VP(0.36)를 포함하는 태양전지는 2.88%의 광전환 효율(PCE) 값을 나타내는데 그친 반면, P3HT-b-P2VP(0.34)와 유사한 P3HT 부피 비율(fP3HT) 값 및 P3HT-g-P2VP(0.43)와 유사한 P2VP 블록 길이를 가지는 P3HT-g-P2VP(0.34)를 포함하는 태양전지는 150°C의 온도에서 72시간의 장시간 열처리를 거친 후에도 4.37%의 높은 광전환 효율(PCE) 값을 유지할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 접합 구조를 가지는 막대-코일 상용화제가 전자주개/전자받개(P3HT/OXCBA) 간의 뚜렷한 계면(sharp interface) 구조를 개선함에 있어 보다 효과적이며, 이에 따라 벌크 이종접합 폴리머 태양전지(PSC)에 보다 높은 열적 안정성을 부여할 수 있다는 점을 보여준다. It can also be confirmed that the solar cell including the bonded copolymer has higher thermal stability than the case of using the block copolymer. For example, a solar cell containing 5 wt% of P3HT-b-P2VP (0.43) after heat treatment at a temperature of 150 ° C for 72 hours showed a significant reduction in light conversion efficiency (PCE) of 3.36% , And a 5 wt% P3HT-b-P2VP (0.36) showed a light conversion efficiency (PCE) value of 2.88% while a P3HT volume ratio (f P3HT ) And P3HT-g-P2VP (0.34) having a P2VP block length similar to P3HT-g-P2VP (0.43) were found to be as high as 4.37% even after 72 hours long heat treatment at a temperature of 150 ° C It was confirmed that the light conversion efficiency (PCE) value can be maintained. These results indicate that the rod-coil compatibilizer having a junction structure is more effective in improving the sharp interface structure between the electron donor / electron donor (P3HT / OXCBA) and thus the bulk heterojunction polymer solar cell (PSC) It is possible to give higher thermal stability.

막대-코일 상용화제로 인한 계면 장력(interfacial tension)의 감소 및 상분리(phase separation)의 억제 효과에 대한 보다 직접적인 증거는 활성층(active layer)의 형상을 투과 전자 현미명(TEM)을 사용하여 검토함으로써 얻어질 수 있다. 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리된 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지의 P3HT/OXCBA 활성층 필름의 열처리후 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 보여주고 있다.More direct evidence for the reduction of interfacial tension and inhibition of phase separation due to the rod-coil compatibilizer is obtained by studying the shape of the active layer using transmission electron microscopy (TEM) Can be. FIG. 6 shows a transmission electron microscope (TEM) image of a P3HT / OXCBA active layer film of a polymer solar cell including a heat-treated rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention after heat treatment.

먼저, 상기 실험을 위하여 투과 전자 현미경(TEM) 측정을 위한 시료를 준비하였고, 이어서 30분 간의 열처리를 거치면서 P3HT/OXCBA는 도 6(a)에서 볼 수 있는 기다란 피브릴(fibril) 형상의 P3HT를 포함하여 상호관통 네트워크 구조(interpenetrating network)를 형성하게 되는데, 이때 상기 P3HT는 최대의 계면 면적을 제공하면서 전하 생성 및 효율적인 전하 이동 경로로서 기능하여 이에 따라 높은 폴리머 태양전지(PSC) 효율을 가지게 해준다. 그러나, 이어서 상당한 시간의 열처리를 거치면서 점진적으로 상분리(phase separation)가 나타났고, 또한 풀러렌(20~50nm) 분자들의 클러스터(cluster) 형성도 관찰되었다(도 6(b)). 비록 풀러렌 이중 부가체(fullerene bis-adduct)는 구조이성질체(regioisomer)의 다양한 분자 구조 및 제2 치환기의 존재로 인하여 풀러렌 핵(core)이 커다란 클러스터와 근접한 접점을 형성하는 것을 억제하기 때문에 결정화도(crystallinity)가 상대적으로 낮은 값을 가지게 되나, 장기간의 열처리를 거칠 경우에는 결국 대규모의 상분리 및 심각한 성능 열화가 초래될 수 있다. 이와 반대로, 5wt%의 P3HT-g-P2VP 및 P3HT-b-P2VP를 포함하는 벌크 이종접합(BHJ) 필름 구조에서는 각각 도 6(c) 및 도 6(d)에서 볼 수 있는 바와 같이 150°C에서 24시간의 열처리를 거치더라도 형상의 변화가 거의 나타나지 않았다. 이러한 형상적 변화의 차이를 고려할 때, P3HT-g-P2VP 및 P3HT-b-P2VP는 계면 장력(interfacial tension)을 감소시키고 상분리를 억제할 수 있다는 점을 알 수 있다. First, a sample for transmission electron microscope (TEM) measurement was prepared for the above-mentioned experiment, and then P3HT / OXCBA was subjected to a heat treatment for 30 minutes, and then an elongated fibril-shaped P3HT Forming an interpenetrating network wherein the P3HT serves as a charge generating and efficient charge transfer path while providing a maximum interface area and thus a high polymer solar cell (PSC) efficiency . However, phase separation followed by gradual heat treatment was observed for a considerable time, and cluster formation of fullerene (20-50 nm) molecules was also observed (FIG. 6 (b)). Although the fullerene bis-adduct inhibits the fullerene nucleus from forming a contact close to a large cluster due to the various molecular structures of the regioisomer and the presence of the second substituent, the crystallinity ) Is relatively low, but if it is subjected to long-term heat treatment, large-scale phase separation and severe performance deterioration may result. On the other hand, in the bulk heterojunction (BHJ) film structure including 5 wt% of P3HT-g-P2VP and P3HT-b-P2VP, as shown in Figs. 6 (c) and 6 Even when subjected to a heat treatment for 24 hours, there was almost no change in shape. Considering the difference in shape, it can be seen that P3HT-g-P2VP and P3HT-b-P2VP can reduce interfacial tension and inhibit phase separation.

폴리머 태양전지(PSC)의 상용화제에서 초분자(supramolecular) 상호반응을 이용하는 경우의 장점들을 검증하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 공중합체를 또 다른 효율적인 태양전지인 P3HT/PC61BM 및 P3HT/PC71BM 를 사용하는 벌크 이종접합 폴리머 태양전지(BHJ PSC)에 적용하였다. 도 7에서는 0% 또는 5%의 P3HT-g-P2VP(0.43), P3HT-g-P2VP(0.34), P3HT-b-P2VP(0.47) 및 P3HT-b-P2VP(0.36)을 포함하는 P3HT/PC61BM 소자 및 P3HT/PC71BM 소자에 대하여 120°C에서의 열처리에 따른 열적 안정성을 보여주고 있다. 비교 샘플로서 준비된 P3HT/PC61BM 태양전지 및 P3HT/PC71BM 태양전지는 각각 최고 3.40% 및 3.69%의 광전환 효율(PCE)을 보여주고 있는데, 상기 수치는 종래 보고된 최적화된 각 태양전지의 특성과 잘 일치한다. 상기 각 태양전지에 5wt%의 4종 막대-코일 공중합체를 추가하더라도 열처리를 거치기 전의 초기 광전환 효율(PCE) 값에는 별다른 영향이 없었고, 모든 태양전지에서 거의 비슷한 효율을 보여주었거나 혹은 초기 효율이 다소 증가하였다. 그러나, 120°C에서 장기간 열처리를 거침에 따라 비교 샘플들은 광전환 효율(PCE) 특성이 크게 열화된 반면, P3HT-P2VP 공중합체를 추가한 소자들에서는 훨씬 뛰어난 열적 안정성을 보여 주었다. 특히, P3HT-P2VP 접합 공중합체를 포함하는 소자들은 블록 공중합체를 포함하는 경우와 비교하더라도, P3HT/PC61BM 소자 및 P3HT/PC71BM 소자 모두에 대해서 더욱 높은 열적 안정성을 보여 주었다. 이러한 결과는 앞서 살핀 P3HT/OXCBA 시스템에서의 경우와 일치하는 경향을 보여 준다. 5wt%의 접합 공중합체를 포함하는 P3HT/PC61BM 태양전지는 열에 노출되더라도 가장 안정적인 동작 특성을 보여, 120°C에서 72시간 동안 열처리를 거치더라도 3.0%를 넘는 PCE 특성을 보였고, 또한 P3HT-g-P2VP(0.34)는 P3HT/PC71BM에서 가장 뛰어난 상용화 효율(compatibilizing efficiency)을 나타내었다. 공중합체와 풀러렌 분자 간의 초분자(supramolecular) 상호반응은 P2VP에서의 다전자 질소 유닛(electon rich nitrogen unit)과 전자 결손 풀러렌 부분(electron deficit fullerene moiety) 간의 비공유 엔탈픽 상호반응에 기반하기 때문에, P3HT/풀러렌 벌크 이종접합 폴리머 태양전지(BHJ PSC)의 전체적인 상용화(universal compativilization)는 풀러렌 전자받개의 종류에 크게 상관없이 효과적으로 이루어질 수 있게 된다.In order to verify the advantages of using a supramolecular interaction in the compatibilizing agent of a polymer solar cell (PSC), the rod-coil copolymer according to one embodiment of the present invention was used as another efficient solar cell, P3HT / PC 61 BM and P3HT / PC 71 BM (BHJ PSC). 7, P3HT / PC (1) containing 0% or 5% of P3HT-g-P2VP (0.43), P3HT-g-P2VP (0.34), P3HT- 61 BM devices and P3HT / PC 71 BM devices with thermal stability at 120 ° C. The P3HT / PC 61 BM solar cell and the P3HT / PC 71 BM solar cell prepared as a comparative sample show a light conversion efficiency (PCE) of 3.40% and 3.69%, respectively, Which is consistent with the characteristics of. The addition of the 5 wt% 4-bar-coil copolymer to each of the above solar cells did not affect the initial light conversion efficiency (PCE) value before the heat treatment, and showed almost similar efficiencies in all solar cells, . However, as a result of long-term heat treatment at 120 ° C, the comparative samples significantly degraded the photoconversion efficiency (PCE), while the P3HT-P2VP copolymer showed much better thermal stability. In particular, devices containing the P3HT-P2VP conjugated copolymer exhibited higher thermal stability for both the P3HT / PC 61 BM device and the P3HT / PC 71 BM device, as compared to the block copolymer. These results are consistent with those in the previously investigated P3HT / OXCBA system. The P3HT / PC 61 BM solar cell containing 5 wt% of the covalent copolymer exhibited the most stable operating characteristics even when exposed to heat, showing a PCE characteristic of more than 3.0% even after heat treatment at 120 ° C for 72 hours, and P3HT- g-P2VP (0.34) showed the highest compatibilizing efficiency at P3HT / PC 71 BM. The supramolecular interaction between the copolymer and the fullerene molecule is based on the unshared endothelial interaction between the electon rich nitrogen unit and the electron deficit fullerene moiety in P2VP, The universal compativilization of fullerene bulk heteropolymer solar cells (BHJ PSC) can be made effective regardless of the type of fullerene electron acceptor.

열적 안정성에서의 차이점에 대한 보다 심도있는 논의는 광학 현미경(Optical Microscopy, OM) 및 GI-WAXS(Grazing Incidence x-ray scattering)을 이용하여 활성층(active layer)의 형상을 관찰함으로써 이루어질 수 있다. 도 8에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지(100)에서의 P3HT/PC61BM 활성층 필름의 열처리후 광학 현미경 이미지를 보여주고 있다.A more in-depth discussion of the differences in thermal stability can be made by observing the shape of the active layer using optical microscopy (OM) and Grazing Incidence x-ray scattering (GI-WAXS). 8 shows an optical microscope image of a P3HT / PC 61 BM active layer film after heat treatment in a polymer solar cell 100 including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention.

P3HT/OXCBA를 포함하는 활성층의 경우와 달리, PCBM은 강한 결정화도(crystallinity) 특성으로 인하여 마이크로 사이즈(micro size)의 클러스터를 형성하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 마이크로 사이즈(micro size)의 클러스터를 관찰할 수 있는 광학 현미경(OM)을 사용하여, P3HT/PC61BM 혼합물(blends) 형상에서의 상용화제의 효과를 확인할 수 있는 정량적인 데이터를 도출하였다. 도 8에서는 P3HT/PC61BM 비교 샘플 소자 및 5wt%의 P3HT-g-P2VP(0.43) 또는 P3HT-b-P2VP(0.47)을 포함하는 P3HT/PC61BM소자에 대하여 120°C에서 24시간 동안 열처리를 거친 경우의 광학 현미경(OM) 이미지를 보여주고 있다. 상기 이미지들은 열처리로 인하여 마이크로미터 크기의 어두운 영역이 형성되는데, 이는 도 8(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 PCBM 결정이 20um 이상의 길이로 과성장한 경우에 해당하는 것으로 보인다. 이에 대하여, 도 8(b) 및 도 8(c)에서는 각각 P3HT-g-P2VP(0.43)와 P3HT-b-P2VP(0.47)를 포함하는 소자의 경우에 대한 광학 현미경 이미지를 보여주고 있으며, 이러한 경우에는 PCBM 결정에서 어두운 영역이 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 광학 현미경(OM) 이미지들은 초분자(supramolecular) 상호반응 특성을 가지는 막대-코일 공중합체 상용화제가 추가됨으로 인하여, 상분리를 효과적으로 억제하고 나아가 태양전지 소자에서의 열적 안정성을 개선할 수 있다는 것을 다시 한번 보여준다. Unlike the active layer containing P3HT / OXCBA, PCBM is known to form micro-sized clusters due to its strong crystallinity. Thus, using optical microscopy (OM) to observe clusters of micro size, quantitative data was obtained that can confirm the effect of compatibilizers in the form of P3HT / PC 61 BM blends . In Figure 8 P3HT / PC 61 BM comparative sample device and 5wt% of P3HT-g-P2VP (0.43) or in P3HT-b-P2VP (0.47) P3HT / PC 61 BM 120 ° C with respect to the device including, for 24 hours And shows an optical microscope (OM) image after heat treatment. As shown in FIG. 8 (a), the images show a dark area of a micrometer size due to the heat treatment, which seems to correspond to the case where the PCBM crystal grows to a length of 20 μm or more. On the other hand, FIGS. 8 (b) and 8 (c) show an optical microscope image of a device including P3HT-g-P2VP (0.43) and P3HT-b-P2VP (0.47) In the case of PCBM determination, the dark area is greatly reduced. These optical microscope (OM) images again show that the addition of a rod-coil copolymer compatibilizer with supramolecular interaction properties can effectively inhibit phase separation and further improve thermal stability in solar cell devices .

또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 막대-코일 공중합체 상용화제를 추가함으로 인한 P3HT/PCBM 혼합물의 형상에 대한 영향 뿐만 아니라 벌크 이종접합(BHJ) 필름의 열적 안정성에 대한 검토도 GIWAXS 실험에 의하여 이루어졌다. 도 9에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지의 P3HT/PCBM 활성층 필름의 열처리 전후 2차원 GIWAXS 이미지 맵을 도시하고 있다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 막대-코일 공중합체가 추가되더라도 도메인 간격(domain spacing) 및 인접 P3HT 사슬 간의 적층(stacking)을 포함하는 P3HT의 배치 구조에서 별다른 차이점을 나타내지 않았다(도 9(a)). 그러나, 120°C에서 24시간의 열처리를 거친 후에는 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 PC61BM의 결정화 피크(crystallization peak)가 0.46nm에서 나타난다는 점에서 명확하게 차이점이 드러나게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따라 막대-코일 공중합체 상용화제를 포함하는 소자는 PC61BM 결정화 피크가 0.45nm 간격을 중심으로 넓은 분포를 나타내는 반면(도 9(c) P3HT-g-P2VP(0.43) 및 도 9(d) P3HT-b-P2VP(0.47)), 비교 샘플 필름에서의 피크는 매우 날카롭고 뚜렷하게 나타나, 벌크 이종접합(BHJ) 혼합물(blends)에서 상분리된 PC61BM 결정들이 존재한다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 공중합체 상용화제의 추가로 인하여 열적 안정성 등 태양전지의 특성이 크게 개선할 수 있다는 것을 다시 한번 보여 준다. In addition, according to one embodiment of the present invention, not only the influence on the shape of the P3HT / PCBM mixture due to the addition of the rod-coil copolymer compatibilizer but also the thermal stability of the bulk heterojunction (BHJ) . FIG. 9 shows a two-dimensional GIWAXS image map of a P3HT / PCBM active layer film of a polymer solar cell including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention. As can be seen in Fig. 9, even when the rod-and-coil copolymer was added, no difference was observed in the arrangement structure of P3HT including domain spacing and stacking between adjacent P3HT chains (Fig. 9 (a )). However, after the heat treatment at 120 ° C for 24 hours, the crystallization peak of PC 61 BM appears at 0.46 nm, as can be seen in FIG. 9 (b). According to one embodiment of the present invention, the device comprising the rod-coil copolymer compatibilizer shows that the PC 61 BM crystallization peak exhibits a broad distribution centered at 0.45 nm intervals (Fig. 9 (c) P3HT-g-P2VP (Fig. 9 (d) P3HT-b-P2VP (0.47)), the peaks in the comparative sample films are very sharp and distinct, indicating the presence of PC 61 BM crystals phase separated in bulk heterogeneous (BHJ) blends . These results again show that the solar cell characteristics such as thermal stability can be greatly improved due to the addition of the rod-coil copolymer compatibilizer according to one embodiment of the present invention.

도 10에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지에서의 P3HT/PC61BM 활성층 필름과 P3HT/OXCBA 활성층 필름의 균열 에너지 비교 그래프를 보여주고 있다.FIG. 10 is a graph showing a comparison of cracking energy of P3HT / PC 61 BM active layer film and P3HT / OXCBA active layer film in a polymer solar cell including a rod-and-coil junction copolymer compatibilizer according to an embodiment of the present invention.

벌크 이종접합(BHJ) 레이어에서 P3HT/풀러렌 유도체 간의 뚜렷하고 약한 계면은 활성층(active layer)(110)의 파손되기 쉬운 기계적 특성을 초래하게 되고, 이에 따라 소자 제작 공정에 있어서 기계적 결합성(integrity) 및 신뢰성을 떨어뜨리게 된다. 본 발명에 따른 막대-코일 공중합체 상용화제의 벌크 이종접합(BHJ) 활성층(110)에서의 기계적 특성에 대한 효과를 확인하기 위하여, 벌크 이종접합(BHJ) 층에서 수직 및 수평 방향에서의 기계적 특성을 나타내는 균열 에너지 및 탄성 계수를 측정하였다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 P3HT/풀러렌 유도체 벌크 이종접합 폴리머 태양전지(BHJ PSC) 의 기계적 특성을 검토하기 위하여, 이중 캔틸레버 빔(double cantilever beam, DCB) 접착법을 이용하여 상용화제가 포함된 P3HT/PC61BM 및 P3HT/OXCBA의 응집 균열 에너지(cohesive fracture energy)가 측정되었다(도 10(a)). DBC 시료는 유리/P3HT(OXCBA 또는 PCBM)/Pt/에폭시/유리의 구조로 제작되었다. 또한, 활성층(110) 및 스퍼터링된 Pt 레이어를 형성하기 위하여 에폭시 레진(epoxy resin)의 확산을 방지하기 위한 폴리머 태양전지(PSC)에서의 최적화 조건이 동일하게 적용되었다. 모든 시료에서 벌크 이종접합(BHJ) 레이어의 응집 파괴 현상이 관찰되었다. P3HT/PCBM 벌크 이종접합(BHJ) 필름의 임계 응집 균열 에너지(critical cohesive fracture energy, Gc) 값은 3.73±0.18Jm-2로 측정되었으며, 이러한 측정치는 유사한 조건에서 제조된 P3HT/PCBM 소자에 대한 균열 에너지에 대하여 종래 보고된 수치와 잘 일치하였다. 여기서 주목할 점은, P3HT-g-P2VP(0.43) 및 P3HT-b-P2VP(0.47) 공중합체를 5% 포함하는 P3HT/PCBM 필름에서 임계 응집 균열 에너지(Gc) 값이 각각 4.42±0.75 및 4.32±0.41Jm-2까지 증가하였다는 점이다. 이와 유사한 현상은 P3HT/OXCBA 필름에서도 관찰되었다. P3HT/OXCBA 필름에서의 임계 응집 균열 에너지(Gc) 값은 4.51±0.11Jm- 2값을 나타내었으나, P3HT-g-P2VP(0.43) 및 P3HT-b-P2VP(0.47) 공중합체를 5% 포함하는 경우의 임계 응집 균열 에너지(Gc) 값은 각각 5.46±0.42 및 4.75±0.20Jm-2까지 크게 개선되었다. 본 발명에 따른 전자주개/전자받개 계면에서의 막대-코일 공중합체 상용화제의 최적 분포(preferential localization)는 계면을 가로지르는 폴리머 사슬의 얽힘 밀도(entanglement density)를 증가시켜, 벌크 이종접합(BHJ) 필름의 응집 파괴(cohesive failure)가 나타나기 위하여 필요한 에너지를 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상용화제에서의 P3HT 및 P2VP 블록 간의 공유 결합(covalent joint)은 양측 상(two phases)간의 균열 성장 및 분리(debonding)에 대한 저항 특성을 개선시키게 된다.The distinct and weak interface between the P3HT / fullerene derivatives in the bulk heterojunction (BHJ) layer results in the breakable mechanical properties of the active layer 110, which leads to mechanical integrity and &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Which reduces reliability. In order to confirm the effect on the mechanical properties of the rod-coil copolymer compatibilizer according to the present invention in the bulk heterojunction (BHJ) active layer 110, the mechanical properties in the vertical and horizontal directions in the bulk heterojunction (BHJ) And the elastic modulus were measured. Accordingly, in order to investigate the mechanical properties of the P3HT / fullerene derivative bulk heteropolymer solar cell (BHJ PSC) according to an embodiment of the present invention, a double cantilever beam (DCB) The cohesive fracture energy of the included P3HT / PC 61 BM and P3HT / OXCBA was measured (Fig. 10 (a)). The DBC sample was made of glass / P3HT (OXCBA or PCBM) / Pt / epoxy / glass structure. In addition, optimization conditions in a polymer solar cell (PSC) to prevent the diffusion of an epoxy resin to form the active layer 110 and the sputtered Pt layer were applied equally. Cohesive failure of the bulk heterojunction (BHJ) layer was observed in all samples. The critical cohesive fracture energy (Gc) value of the P3HT / PCBM bulk heterojunction (BHJ) film was measured to be 3.73 ± 0.18 Jm -2 , and these measurements indicate cracks in the P3HT / PCBM devices fabricated under similar conditions Lt; RTI ID = 0.0 &gt; energy. &Lt; / RTI &gt; It should be noted that the critical aggregation crack energy (Gc) values of P3HT / PCBM films containing 5% of P3HT-g-P2VP (0.43) and P3HT-b-P2VP (0.47) copolymers were 4.42 ± 0.75 and 4.32 ± And increased to 0.41 Jm -2 . A similar phenomenon was also observed on P3HT / OXCBA films. The critical aggregation crack energy (Gc) value of the P3HT / OXCBA film was 4.51 ± 0.11 Jm - 2 , but the P3HT-g-P2VP (0.43) and P3HT-b-P2VP (0.47) The critical agglomeration crack energy (Gc) values were significantly improved to 5.46 ± 0.42 and 4.75 ± 0.20 Jm -2 , respectively. The preferential localization of the rod-coil copolymer compatibilizer at the electron donor / electron donor interface according to the present invention increases the entanglement density of the polymer chains across the interface, resulting in bulk heterojunction (BHJ) It is possible to increase the energy required to cause cohesive failure of the film. In addition, the covalent joint between the P3HT and P2VP blocks in the compatibilizer according to the present invention improves resistance properties to crack growth and debonding between the two phases.

다음으로, 본 발명의 일 실험예로서 벌크 이종접합(BHJ) 활성층에서의 인장탄성도(tensile modulus)을 측정하였으며, 이는 휘거나(flexible) 늘어날 수 있는(stretchable) 폴리머 태양전지(PSC) 어플리케이션의 구현과 밀접한 관련을 가진다. 이러한 중요성에도 불구하고, 폴리머 태양전지(PSC) 활성층에서의 인장탄성도(tensile modulus)에 대한 기본적인 측정조차 거의 이루어지지 못한 실정이다. 최근, P3HT/PCBM BHJ 박막의 탄성계수(elastic modulus)가 하부 유연 기판(underlying compliant substrate)을 사용하여 측정되었다. 그러나, 고효율 폴리머 태양전지(PSC) 에서 벌크 이종접합(BHJ) 활성층의 두께는 통상적으로 수백 나노 미터 이하 수준이고, 박막과 하부 기판 간의 점착(adhesion)도 나타날 수 있어, 하부 기판을 사용하는 경우 활성층의 기계적 특성을 측정하는 것은 쉽지 않게 된다. 따라서, 본 발명에서는 수면(water surface)을 이용하여 단립하는(free-standing) 박막 필름을 하부 지지함으로써, 시료의 손상이나 하부 기판에 의한 영향없이 인장탄성도(tensile modulus)를 정확하게 측정할 수 있는 유사 단립 인장 테스트(pseudo freestanding tensile test)를 수행하였다. 도 10(b)에서는 P3HT-g-P2VP(0.43) 및 P3HT-b-P2VP(0.47) 를 각각 0% 및 5% 포함하는 P3HT/OXCBA의 탄성계수(elastic modulus)를 보여주고 있다. 또한, 도 10(b)에는 수면에 부유하는 시료의 사진이 삽입되어 도시되고 있다. 시료 고정(grpping)은 Polydimethylsiloxane (PDMS)-코팅된 그립을 부착하여 이루어졌고, 인장 시험은 통상의 방법에 따라 6 x 10-5/초의 변형 비율(strain rate)에서의 선형 스테이지(stage)에서 이루어졌다. 이에 따라 P3HT/OXCBA 필름의 영률(Young? modulus)은 3.87GPa로 측정되었으며, 반면 인장탄성도(tensile modulus)는 P3HT-g-P2VP(0.43) 및 P3HT-b-P2VP(0.47) 상용화제를 5% 추가함에 따라 각각 3.03 및 2.79GPa로 크게 떨어졌음을 확인할 수 있었다. 상기 측정에서는 지지 기판 없이 태양 전지 활성층의 영률을 직접 측정함으로써, 그 정확도를 획기적으로 개선하였다. 보다 중요한 것은, 막대-코일 공중합체 상용화제, 특히 접합 구조를 가지는 막대-코일 공중합체 상용화제를 추가함으로써, 폴리머 태양전지(PSC)의 전기적 특성 저하 없이, 혼합되지 않는 양측 상(phases) 간의 균열 에너지를 개선할 수 있고, 인장탄성도(tensile modulus)도 줄일 수 있다는 점이다. 벌크 이종접합(BHJ) 필름의 낮은 영률(modulus)은 폴리머 태양전지(PSC)의 휘어짐이나 늘어남 등과 같은 기계적 변형에 대하여 균열을 방지할 수 있도록 해준다. 기계적 안정성 실험도 또한 접합 구조의 막대-코일 공중합체 상용화제가 폴리머 태양전지(PSC)에서 보다 효율적인 상용화제로서 기능하게 된다는 점을 보여준다.Next, as an experimental example of the present invention, the tensile modulus in the bulk heterojunction (BHJ) active layer was measured, and it was confirmed that the tensile modulus of the stretchable polymer solar cell (PSC) It is closely related to implementation. In spite of this importance, the basic measurement of the tensile modulus in the polymer solar cell (PSC) active layer is hardly achieved. Recently, the elastic modulus of P3HT / PCBM BHJ thin films was measured using an underlying compliant substrate. However, in a high efficiency polymer solar cell (PSC), the thickness of the bulk heterojunction (BHJ) active layer is usually several hundreds of nanometers or less, and adhesion between the thin film and the lower substrate may also be exhibited. It is not easy to measure the mechanical properties of the substrate. Accordingly, in the present invention, a free-standing thin film is supported by using a water surface to support the tensile modulus accurately without damaging the sample or the lower substrate. A pseudo freestanding tensile test was performed. 10 (b) shows the elastic modulus of P3HT / OXCBA containing 0% and 5% of P3HT-g-P2VP (0.43) and P3HT-b-P2VP (0.47), respectively. In Fig. 10 (b), a photograph of a sample floating on the water surface is shown inserted. Made from linear stage in the attachment was achieved by the coated grip, a tensile test was 6 x 10 -5 / sec strain rate (strain rate) in a usual manner (stage) - fixed sample (grpping) is Polydimethylsiloxane (PDMS) lost. The Young's modulus of the P3HT / OXCBA film was measured to be 3.87 GPa while the tensile modulus of the P3HT-g-P2VP (0.43) and P3HT-b-P2VP (0.47) %, Respectively, which were significantly decreased to 3.03 and 2.79 GPa, respectively. In this measurement, the Young's modulus of the solar cell active layer was measured directly without the supporting substrate, and the accuracy was remarkably improved. More importantly, by adding a rod-coil copolymer compatibilizer, particularly a rod-coil copolymer compatibilizer having a conjugated structure, it is possible to provide a polymer solar cell (PSC) Energy can be improved, and tensile modulus can be reduced. The low modulus of the bulk heterojunction (BHJ) film allows cracking to be prevented against mechanical deformation such as warping or stretching of the polymer solar cell (PSC). Mechanical stability experiments also show that the rod-coil copolymer compatibilizer of the bond structure functions as a more efficient compatibilizer in polymer solar cells (PSC).

P3HT-g-P2VP 및 P3HT-b-P2VP 상용화제 간의 계면에서의 작용 및 특성의 차이를 보다 자세하게 살펴보기 위하여, 본 발명에서는 원자의 집합(collection of the atoms)이 보다 작은 숫자의 비드(bead)로 매핑되는 조립질 비드-스프링 (coarse-grained bead-spring) 분자 역학 시뮬레이션을 수행하였다. 이에 따라, 먼저 혼합되지 않은 전자주개/전자받개(D/A) 단일 폴리머(homopolymer) 이층 혼합물을 제조하였고, 이어서 에너지 최소화(energy minimization) 및 시뮬레이티드 어닐링(simulated annealing)을 거쳐 최소 에너지 구조를 형성하였다. 다음으로, P3HT-g-P2VP(0.43) 및 P3HT-b-P2VP(0.47)와 동일한 분자 형상과 길이를 가지는 동일한 숫자의 시뮬레이티드 P3HT-graft-P2VP 및 P3HT-block-P2VP 공중합체를 추가하였다. 이어서, 동일하게 에너지 최소화(energy minimization) 및 시뮬레이티드 어닐링(simulated annealing) 단계를 전자주개/전자받개(D/A) 이중 혼합물 + (P3HT-graft-P2VP 또는 P3HT-block-P2VP) 시스템에 적용하였다. 이에 따른, 전자주개/전자받개(D/A) 단일 폴리머 및 공중합체의 밀도 프로필은 도 11에 도시되었다. 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이 P3HT-g-P2VP 공중합체는 전자주개(D) 및 전자받개(A) 상(phase) 간의 계면에 근접하여 보다 높은 공간 사슬 밀도를 나타낸 반면, 선형 타입의 P3HT-b-P2VP 공중합체는 보다 넓은 밀도 분포 영역을 나타내었다. 이러한 결과로부터 접합 공중합체 구조가 계면에서 최소 에너지 상태를 가지면서 바람직한 분리 상태를 이루게 되는 구조적인 장점을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한, 이종의 공중합체의 추가에 따른 계면 폭의 변화게 매에 대한 보다 정확한 비교를 위하여, 종래 방법에 따라 계면 폭 δ를 산출하였다. 이에 따라, 아래의 표 3에서 볼 수 있는 바와 같이 전자주개/전자받개(D/A) 혼합 시스템에 대한 계면 폭 δ는 1.033σ로 산출되었고, P3HT-b-P2VP 및 P3HT-g-P2VP 공중합체를 추가함에 따라 계면 폭 δ는 1.194σ 및 1.272σ로 넓어짐을 확인할 수 있다.In order to investigate in detail the difference in the function and the nature of the interaction between P3HT-g-P2VP and P3HT-b-P2VP compatibilizer, in the present invention, a collection of the atoms has a smaller number of beads, Coarse-grained bead-spring molecular dynamics simulation was performed. Thus, a homogeneous homopolymer mixture of electron donor / electron donor (D / A) was prepared first, followed by energy minimization and simulated annealing to obtain the minimum energy structure . Next, the same number of simulated P3HT-graft-P2VP and P3HT-block-P2VP copolymers with the same molecular shape and length as P3HT-g-P2VP (0.43) and P3HT-b-P2VP . The same energy minimization and simulated annealing steps are then applied to the electron donor / electron acceptor (D / A) dual mixture + (P3HT-graft-P2VP or P3HT-block-P2VP) system Respectively. Accordingly, the density profile of the electron donor / electron donor (D / A) single polymer and copolymer is shown in FIG. As can be seen from Fig. 11, the P3HT-g-P2VP copolymer showed a higher spatial chain density near the interface between the electron donor (D) and the electron acceptor (A) phase, while the linear type P3HT- b-P2VP copolymer exhibited a wider density distribution area. From these results, it can be seen that the conjugated copolymer structure has the structural advantage of having a minimum energy state at the interface and a desirable separation state. Further, in order to more accurately compare the change in the interface width due to the addition of different kinds of copolymers, the interface width? Was calculated according to the conventional method. Thus, as can be seen in Table 3 below, the interface width? For the electron donor / electron acceptor (D / A) mixing system was calculated to be 1.033 ?, and the P3HT-b-P2VP and P3HT- , The interfacial width δ is widened to 1.194 σ and 1.272 σ, respectively.

계면에서의 P3HT-g-P2VP 공중합체의 바람직한 국지화(localization)는 혼합되지 않는 양 구성물 간의 계면을 넓어지게 한다. 조립질 비드-스프링 (coarse-grained bead-spring) 분자 역학 시뮬레이션에 수정된 어빙 및 커크우드 방정식(Irving and Kirkwood equation)을 적용하여, 공중합체의 상용화 효율을 결정하는 가장 중요한 요소이면서, 또한 열에 노출되었을 때 상 분리 특성과 직접적으로 연관되어 있는 시스템의 계면 장력(interface tension, γs)을 산출할 수 있다. 이에 따라 산출된 계면 장력(γs) 값은 아래 표 3에 제시되었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 공중합체는 본 발명에 따른 불용 혼합물 시스템(immiscible blend system)에서 가장 낮은 계면 장력 값을 나타내었으며, 그 값은 P3HT-g-P2VP 공중합체에 대한 실험 결과치와 잘 일치하였다. 계면에서의 접합 공중합체의 바람직한 분리 상태에 따른 넓은 계면 폭 및 낮은 계면 장력은 불용 이종 혼합물에서의 기계적 안정성 및 열적 안정성을 현저하게 개선하게 된다. 따라서, 산출된 시뮬레이션 결과는 접합 공중합체 구조가 이종의 불용 혼합물 간의 바람직하지 못한 계면 상태를 개선하는데 효과적이라는 점을 다시 한번 명확하게 확인시켜 준다. The desired localization of the P3HT-g-P2VP copolymer at the interface widens the interface between the two components that are not mixed. The modified Irvine and Kirkwood equation is applied to the coarse-grained bead-spring molecular dynamics simulations to determine the efficiency of the copolymer's commercialization, The interface tension (γ s ) of the system, which is directly related to the phase separation characteristics, can be calculated. The thus calculated interfacial tension (? S ) values are shown in Table 3 below. The adhesive copolymers according to one embodiment of the present invention exhibited the lowest interfacial tension values in the immiscible blend system according to the present invention, Respectively. A wide interfacial width and a low interfacial tension depending on the preferable separation state of the bonded copolymer at the interface significantly improve the mechanical stability and the thermal stability in the insoluble heterogeneous mixture. Thus, the calculated simulation results clearly confirm once more that the conjugated copolymer structure is effective in improving the undesirable interfacial state between different insoluble mixtures.

CompatibilizersCompatibilizers Interfacial width(δ)Interfacial width (δ) Interfacial tension(γs)Interfacial tension (γ s ) D/A blends D / A blends 1.033σ1.033σ 0.224σ-2kBT0.224σ -2 k B T P3HT-b-P2VPP3HT-b-P2VP 1.194σ1.194σ 0.190σ-2kBT0.190σ -2 k B T P3HT-g-P2VPP3HT-g-P2VP 1.272σ1.272σ 0.180σ-2kBT0.180σ -2 k B T

본 발명에서는 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지를 개시한다. 본 발명의 일 실시예로서 P3HT-g-P2VP 상용화제를 벌크 이종접합 폴리머 태양전지(BHJ PSC)에 추가함으로써, P3HT 및 풀러렌 유도체 간의 뚜렷한 계면 구조를 효과적으로 개선하여, 태양전지의 전기적 특성의 감쇄 없이도 열적, 기계적 안정성을 획기적으로 개선할 수 있게 된다. P3HT-g-P2VP 공중합체는 이중 부가체(bis-adduct) 풀러렌을 포함하여 전자받개의 종류와 상관없이 벌크 이종접합 폴리머 태양전지(BHJ PSC)의 열적, 기계적 안정성을 전반적으로 개선할 수 있게 한다. 또한, 본 발명의 일 실시에 따른 태양전지에서는 균열 에너지(fracture energy)도 종래 태양전지와 대비하였을 때 20% 이상 증가하였으며, 나아가 공중합체의 접합 공중합체 구조는 블록 공중합체 구조와 비교하더라도 보다 개선된 열적, 기계적 안정성을 가질 수 있었다. 접합 공중합체 구조의 효과는 조립질(coarse-grained) 분자 역학 시뮬레이션에 의한 결과에 의해서도 다시 확인될 수 있었다.The present invention discloses a polymer solar cell comprising a rod-coil junction copolymer compatibilizer. By adding the P3HT-g-P2VP compatibilizer to the bulk heterojunction polymer solar cell (BHJ PSC) as an embodiment of the present invention, it is possible to effectively improve the clear interface structure between the P3HT and the fullerene derivative, without deteriorating the electrical characteristics of the solar cell Thermal and mechanical stability can be remarkably improved. The P3HT-g-P2VP copolymer allows for improved overall thermal and mechanical stability of the bulk heterojunction polymer solar cell (BHJ PSC) regardless of the type of electron acceptor, including bis-adduct fullerenes . In addition, in the solar cell according to an embodiment of the present invention, the fracture energy was increased by more than 20% when compared with the conventional solar cell. Further, the structure of the copolymer of the copolymer was improved even when compared with the structure of the block copolymer Thermal stability, and mechanical stability. The effect of the conjugated copolymer structure could be confirmed by the results of coarse-grained molecular dynamics simulations.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to illustrate the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

100 : 막대-코일 접합 공중합체 상용화제를 포함하는 폴리머 태양전지
110 : 활성층
112 : 전자주개
114 : 전자받개
120 : 막대-코일 접합 공중합체
122 : 제1 폴리머
124 : 제2 폴리머
100: Polymer solar cell comprising rod-coil junction copolymer compatibilizer
110: active layer
112:
114: Electronic receiver
120: rod-coil junction copolymer
122: first polymer
124: Second polymer

Claims (8)

폴리머(polymer)를 포함하는 전자주개 영역과 풀러렌 유도체(fullerene derivative)를 포함하는 전자받개 영역의 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 포함하는 활성층(active layer)을 포함하여 구성되며,
상기 활성층에는,
알킬기(alkyl group)가 부착된 전도성 고분자가 중합된 제1 폴리머; 및
상기 제1 폴리머의 하나 이상의 단위체(monomer)에 접합(graft)되어 공중합체를 형성하는 제2 폴리머를 포함하여 구성되는 상기 전자주개 영역의 폴리머 및 전자받개 영역의 풀러렌 유도체와 별개의 상용화제(compatibilizer)가 포함되고,
상기 제2 폴리머는 상기 풀러렌 유도체와 초분자 상호반응(supramolecular interaction)을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지.
And an active layer including a bulk heterojunction structure of an electron acceptor region including an electron donor region including a polymer and a fullerene derivative,
In the active layer,
A first polymer obtained by polymerizing a conductive polymer to which an alkyl group is attached; And
A second polymer that is grafted to one or more monomers of the first polymer to form a copolymer; and a polymer of the electron donor region and a fullerene derivative of the electron acceptor region, ),
Wherein the second polymer is capable of forming a supramolecular interaction with the fullerene derivative.
제1항에 있어서,
상기 활성층에 포함되는 상기 상용화제의 일부 또는 전부는 상기 활성층의 전자주개 영역 및 전자받개 영역의 계면을 가로질러 분포하는 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein part or all of the compatibilizer contained in the active layer is distributed across the interface between the electron donor region and the electron acceptor region of the active layer.
제2항에 있어서,
상기 상용화제의 제1 폴리머 부분의 일부 또는 전부는 상기 전자주개 영역에 위치하고,
상기 상용화제의 제2 폴리머 부분의 일부 또는 전부는 상기 전자받개 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지.
3. The method of claim 2,
Wherein some or all of the first polymer portion of the compatibilizer is located in the electron donor region,
Wherein part or all of the second polymer portion of the compatibilizer is located in the electron acceptor region.
제1항에 있어서,
상기 제1폴리머의 알킬기에 포함되는 탄소 원자의 숫자는 4 내지 12의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the number of carbon atoms contained in the alkyl group of the first polymer is in the range of 4 to 12.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 티오펜(thiophene)인 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the conductive polymer is thiophene.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))인 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the conductive polymer is P3HT (poly (3-hexylthiophene)).
제1항에 있어서,
상기 제2 폴리머는 폴리스티렌(polystyrene), P2VP(poly(2-vinylryridine)), P4VP, PMMA(poly(methyl methacrylate)), 폴리악타이드(polyactide), 폴리부타디엔(polybutadiene), 풀러렌 중 하나이거나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the second polymer is selected from the group consisting of polystyrene, poly (2-vinylryridine), P4VP, poly (methyl methacrylate), polyactide, polybutadiene, fullerene, By weight based on the total weight of the polymer solar cell.
제1항에 있어서,
역상 벌크 이종접합 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 폴리머 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer solar cell has a reversed phase bulk heterojunction structure.
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JP2015069731A (en) 2013-09-26 2015-04-13 国立大学法人大阪大学 Photoelectric conversion device using endohedral fullerene

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Troshin et. al.: "Material Solubility-Photovoltaic Performance Relationship in the Design of Novel FullereneDerivative s for Bulk Heterojunction Solar Cells" Advanced Functional Materials, 2009*

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