신규한 화합물 및 이를 이용한 유기태양전지{Novel compound and organic solar cell containing the same}

본 발명은 신규한 화합물 및 이를 이용한 유기태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게 안트라센 또는 벤조다이싸이오펜을 모핵으로 분자내 비대칭으로 치환된 치환기를 포함하는 신규한 유기 반도체 화합물 및 이를 이용한 유기태양전지에 관한 것이다.

태양전지는 빛 에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 소자이다. 이들은 다양한 종류의 재료로 만들어지고 있으나 현재 가장 많이 사용되고 있는 재료는 단결정 Si이다. 그러나, 단결정 Si 태양광전지는 제조단가를 더 이상 낮출 수 없는 문제와 생산 및 응용 등에 제한이 있어, 최근 들어서는 박막 형태의 태양전지의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이중 유기태양전지는 유연하고 대면적화 할 수 있으며, 가볍고, 값싸게 제작 할 수 있는 장점 등을 가지고 있어, 이 분야에 많은 연구가 진행되고 있다.

유기태양전지는 크게 양 전극과 광활성층을 포함한다. 광활성층은 다시 전자주게 소재와 전자받게 소재로 구분 할 수 있으며, 전자주게 소재는 단분자와 고분자로 나뉜다. 고분자 소재로는 PPV (poly(para-phenylene vinylene)) 계열, PF (polyfluorene) 계열 등의 물질이 대표적으로 쓰이며, 최근에는 전자주게/전자받게를 교대로 중합된 PFDTBT, PCPDTBT 등과 같은 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 공중합체 소재들 또한 연구되고 있다. 그러나, 이러한 고분자 소재의 경우 분자량 조절과 촉매제거가 힘들고 배치별 효율이 달라 태양전지 소자의 성능의 재현성이 떨어지는 문제점을 가진다. 또한 단분자 소재의 경우 phthalocyanine계 CuPc, ZnPc 등의 물질이 대표적이며, 이를 열증착하여 사용한다. 단분자 소재의 경우, 상기 고분자 소재와는 달리 정제가 쉽고, 재현성이 뛰어나, 이를 이용한 고효율의 유기태양전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

종래 유기태양전지에 응용되는 단분자 소재로 화합물의 방향성을 유지하고, 컨쥬게이션 길이를 늘려 낮은 밴드갭 에너지를 구현하고자 하였으나, 산화 안정성이 낮아 이를 이용한 유기태양전지의 효율을 개선할 수 없었으며(특허문헌 1), 여전히 유기태양전지에 응용되는 단분자 소재에 있어 광흡수영역이 넓은 낮은 밴드갭을 가지며, 정공이동도가 우수하고, 적절한 분자 준위를 가지는 새로운 단분자 소재에 대한 연구가 요구되고 있는 실정이다.

이에, 본 발명자들은 산화안정성이 우수하고, 전자 이동 특성이 우수한 안트라센 또는 벤조다이싸이오펜을 모핵으로 분자내 비대칭으로 치환된 치환기를 포함하는 유기 반도체 화합물 및 이를 이용한 고효율의 유기태양전지를 제공하고자 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 안트라센 또는 벤조다이싸이오펜을 모핵으로 분자 내 비대칭으로 치환된 치환기를 포함하는 신규한 유기 반도체 화합물 및 이를 광활성층 재료로 도입한 고효율성의 유기태양전지를 제공하는 것이다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물을 제공한다.

[화학식 1]

[상기 화학식 1 에서,

Z ₁ 및 Z ₂ 는 각각 독립적으로 O, S, Se 또는 (C2-C3)알케닐렌이고;

L ₁ 및 L ₂ 는 각각 독립적으로 단일결합, (C6-C20)아릴렌, (C3-C20)헤테로아릴렌 또는 -M ₁ -A ₁ -M ₂ -이고, M ₁ 및 M ₂ 는 각각 독립적으로 (C3-C20)헤테로아릴렌이고, A ₁ 은 (C2-C5)알케닐렌 또는 (C2-C5)알키닐렌이고;

R ₁ 은 (C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴이고, 상기 아릴 또는 헤테로아릴은 (C1-C20)알킬, 할로(C1-C20)알킬, 할로겐, 시아노, (C3-C20)시클로알킬, (C1-C20)알콕시, (C6-C20)아릴옥시, (C6-C20)아릴, (C6-C20)아르(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴로 더 치환될 수 있고;

R ₂ 및 R ₃ 는 각각 독립적으로 (C1-C50)알킬이며,

상기 헤테로아릴렌 및 헤테로아릴은 각각 독립적으로 B, N, O, S, P(=O), Si 및 P로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 것일 수 있다.

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 2 및 3에서,

L ₁ 및 L ₂ 는 각각 독립적으로 단일결합, (C6-C20)아릴렌, (C3-C20)헤테로아릴렌 또는 -M ₁ -A ₁ -M ₂ -이고, M ₁ 및 M ₂ 는 각각 독립적으로 (C3-C20)헤테로아릴렌이고, A ₁ 은 (C2-C5)알케닐렌 또는 (C2-C5)알키닐렌이고;

R ₁ 은 (C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴이고, 상기 아릴 또는 헤테로아릴은 (C1-C20)알킬, 할로(C1-C20)알킬, 할로겐, 시아노, (C3-C20)시클로알킬, (C1-C20)알콕시, (C6-C20)아릴옥시, (C6-C20)아릴, (C6-C20)아르(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴로 더 치환될 수 있고;

R ₂ 및 R ₃ 는 각각 독립적으로 (C1-C50)알킬이다.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물의 치환기 L ₁ 및 L ₂ 는 각각 독립적으로 단일결합 또는 하기 구조 등에서 선택되는 하나로 치환될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

[상기 구조에서,

Z ₄ 내지 Z ₆ 는 각각 독립적으로 S 또는 Se이다.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물의 치환기 R ₁ 은 하기 구조에서 선택되는 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

[상기 구조에서,

Z ₄ 내지 Z ₆ 는 각각 독립적으로 S 또는 Se이다.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물의 치환기 R ₂ 및 R ₃ 는 각각 독립적으로 메틸, 에틸, n -프로필, i -프로필, n -부틸, i -부틸, s -부틸, t -부틸, n -펜틸, i -펜틸, s -펜틸, n -헥실, i -헥실, s -헥실, n-헵틸, n-옥틸, n-노닐, n-데실, i -데실, n-운데실, n-도데실, n-트리데실, n-테트라데실, n-펜타데실 및 n-헥사데실 등에서 선택되는 직쇄 또는 분지쇄의 알킬일 수 있으나 이에

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 것일 수 있다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물을 포함하는 유기태양전지를 제공한다.

[화학식 1]

[상기 화학식 1 에서,

Z ₁ 및 Z ₂ 는 각각 독립적으로 O, S, Se 또는 (C2-C3)알케닐렌이고;

L ₁ 및 L ₂ 는 각각 독립적으로 단일결합, (C6-C20)아릴렌, (C3-C20)헤테로아릴렌 또는 -M ₁ -A ₁ -M ₂ -이고, M ₁ 및 M ₂ 는 각각 독립적으로 (C3-C20)헤테로아릴렌이고, A ₁ 은 (C2-C5)알케닐렌 또는 (C2-C5)알키닐렌이고;

R ₁ 은 (C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴이고, 상기 아릴 또는 헤테로아릴은 (C1-C20)알킬, 할로(C1-C20)알킬, 할로겐, 시아노, (C3-C20)시클로알킬, (C1-C20)알콕시, (C6-C20)아릴옥시, (C6-C20)아릴, (C6-C20)아르(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴로 더 치환될 수 있고;

R ₂ 및 R ₃ 는 각각 독립적으로 (C1-C50)알킬이며,

상기 헤테로아릴렌 및 헤테로아릴은 각각 독립적으로 B, N, O, S, P(=O), Si 및 P로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물은 유기태양전지의 광활성층에 포함되는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 낮은 에너지 밴드갭과 낮은 구동 전압을 가질 뿐 아니라 산화안정성 및 열안정성이 우수하여, 이를 채용한 유기태양전지는 높은 단락전류를 가지며 우수한 효율 및 장수명 특성을 가진다. 또한 용해도가 높아 유기태양전지 제작에 있어, 간편한 용액 공정이 가능하여 대면적화가 가능한 진공증착이나 스핀코팅이나 프린팅 등과 같은 용액 공정의 적용으로 생산 비용을 절감할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 평면도를 높여 상전이를 최소화하는 동시에 잘 정렬된 파이-파이 스태킹(π-π stacking)의 방향을 따라서 효과적인 전하이동을 나타내므로, 우수한 광전변환 효율을 가지는 유기태양전지를 제공할 수 있다.

도 1 은 실시예 1(a) 및 실시예 2(b)에서 합성된 유기 반도체 화합물의 시차열량분석(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 데이터이며,
도 2는 실시예 1 및 실시예 2에서 합성된 유기 반도체 화합물의 용액상(a)과 필름상(b)의 UV-vis 흡수 스펙트럼이고, 실시예 1 및 실시예 2 각각에 PC ₇₁ BM을 혼합한 필름상(c)의 UV-vis 흡수 스펙트럼이며,
도 3은 본 발명에 따른 유기태양전지 특성인 전류밀도-전압(Current density-voltage)특성을 측정한 결과값을 나타내는 도면이며,
도 4는 본 발명에 따른 유기태양전지의 DIO 첨가 유무에 따른 전류 밀도에 따른 EQE를 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 신규한 화합물 및 이를 이용한 유기태양전지에 대하여 이하 상술하나, 이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 분자의 평면성을 높이고, 대칭성을 저하시켜, 향상된 에너지 전이를 가짐으로써 유기태양전지의 광전변환 재료로 유용하게 사용될 수 있다.

또한 하기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물은 낮은 에너지 밴드갭과 낮은 구동 전압을 가질 뿐 아니라 산화안정성 및 열안정성이 우수하다. 이에 이를 광활성층에 채용한 유기태양전지는 높은 단락전류를 가지며 우수한 효율 및 장수명 특성을 가질 수 있는 것인다.

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물의 일 양태는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.

[화학식 1]

[상기 화학식 1 에서,

Z ₁ 및 Z ₂ 는 각각 독립적으로 O, S, Se 또는 (C2-C3)알케닐렌이고;

L ₁ 및 L ₂ 는 각각 독립적으로 단일결합, (C6-C20)아릴렌, (C3-C20)헤테로아릴렌 또는 -M ₁ -A ₁ -M ₂ -이고, M ₁ 및 M ₂ 는 각각 독립적으로 (C3-C20)헤테로아릴렌이고, A ₁ 은 (C2-C5)알케닐렌 또는 (C2-C5)알키닐렌이고;

R ₁ 은 (C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴이고, 상기 아릴 또는 헤테로아릴은 (C1-C20)알킬, 할로(C1-C20)알킬, 할로겐, 시아노, (C3-C20)시클로알킬, (C1-C20)알콕시, (C6-C20)아릴옥시, (C6-C20)아릴, (C6-C20)아르(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴로 더 치환될 수 있고;

R ₂ 및 R ₃ 는 각각 독립적으로 (C1-C50)알킬이며,

상기 헤테로아릴렌 및 헤테로아릴은 각각 독립적으로 B, N, O, S, P(=O), Si 및 P로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다.]

본 명세서에 있어, 용어 "아릴"은 하나의 수소 제거에 의해서 방향족 탄화수소로부터 유도된 유기 라디칼로, 일환상 또는 다환상 방향족 탄화수소 라디칼일 수 있고, 각 고리에 적절하게는 3 내지 7개, 바람직하게는 5 또는 6개의 고리원자를 포함하는 단일 또는 융합 고리계를 포함하며, 다수개의 아릴이 단일결합으로 연결되어 있는 형태까지 포함하며, 구체적일 일예로는 페닐, 나프틸, 비페닐, 터페닐, 안트릴, 인데닐(indenyl), 플루오레닐, 페난트릴, 트라이페닐레닐, 피렌일, 페릴렌일, 크라이세닐, 나프타세닐, 플루오란텐일 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 본 명세서에 있어, 용어 "헤테로아릴"은 하나의 수소 제거에 의해서 방향족 탄화수소로부터 유도된 유기 라디칼로 B, N, O, S, P(=O), Si 및 P로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 3 내지 8개의 고리원자를 포함하는 일환상 또는 다환상 방향족 탄화수소 라디칼일 수 있고, 각 고리에 적절하게는 3 내지 7개, 바람직하게는 5 또는 6개의 고리원자를 포함하는 단일 또는 융합 고리계를 포함하며, 다수개의 헤테로아릴이 단일결합으로 연결되어 있는 형태까지 포함하며, 구체적인 일예로는 퓨릴, 티오펜일, 피롤릴, 피란일, 이미다졸릴, 피라졸릴, 티아졸릴, 티아디아졸릴, 이소티아졸릴, 이속사졸릴, 옥사졸릴, 옥사디아졸릴, 트리아진일, 테트라진일, 트리아졸릴, 테트라졸릴, 퓨라잔일, 피리딜, 피라진일, 피리미딘일, 피리다진일 등의 단환 헤테로아릴; 및 벤조퓨란일, 벤조티오펜일, 이소벤조퓨란일, 벤조이미다졸릴, 벤조티아졸릴, 벤조이소티아졸릴, 벤조이속사졸릴, 벤조옥사졸릴, 이소인돌릴, 인돌릴, 인다졸릴, 벤조티아디아졸릴, 퀴놀릴, 이소퀴놀릴, 신놀리닐, 퀴나졸리닐, 퀴놀리진일, 퀴녹살리닐, 카바졸릴, 페난트리딘일, 벤조디옥솔릴 등의 다환식 헤테로아릴;에서 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 있어, 용어 "알킬"은 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함한다.

상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 구체화될 수 있다. 이러한 구조적 특성을 가지는 유기 반도체 화합물은 전극과 광활성층의 개면 접촉 특성을 개선할 수 있으며, 에너지 장벽 조절을 통해 전하 주입 장벽을 낮추어 전하 수집의 증가 및 전하의 재결합을 방지할 수 있으며, 분자내 파이-파이 스태킹(π-π stacking)의 방향을 따라서 효과적으로 전하이동이 될 수 있게 돕는다.

또한 분자의 공액 길이와 전자 전이에 기여하는 분자 길이를 적절하게 조절 가능하며, 안트라센 또는 벤조다이오싸이오펜을 모핵으로 한쪽 방향으로만 고리를 치환함에 따라 분자의 향상된 비대칭성을 부여함으로써, 보다 높은 전자 밀도를 가질 수 있는 것이다. 이에, 이를 채용한 유기태양전지는 높은 단락 전류(Jsc)를 가져, 우수한 효율과 장수명 특성을 가질 수 있는 것이다.

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 2 및 3에서,

L ₁ 및 L ₂ 는 각각 독립적으로 단일결합, (C6-C20)아릴렌, (C3-C20)헤테로아릴렌 또는 -M ₁ -A ₁ -M ₂ -이고, M ₁ 및 M ₂ 는 각각 독립적으로 (C3-C20)헤테로아릴렌이고, A ₁ 은 (C2-C5)알케닐렌 또는 (C2-C5)알키닐렌이고;

R ₁ 은 (C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴이고, 상기 아릴 또는 헤테로아릴은 (C1-C20)알킬, 할로(C1-C20)알킬, 할로겐, 시아노, (C3-C20)시클로알킬, (C1-C20)알콕시, (C6-C20)아릴옥시, (C6-C20)아릴, (C6-C20)아르(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴 또는 (C3-C20)헤테로아릴로 더 치환될 수 있고;

R ₂ 및 R ₃ 는 각각 독립적으로 (C1-C50)알킬이다.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물은 분자내 비대칭성을 높이고, 향상된 파이-파이 스태킹(π-π stacking)에 의해 우수한 전자 이동도를 가지는 측면에서 하기 화학식 4 또는 화학식 5로 표시되는 것 일 수 있다.

[화학식 4]

[화학식 5]

[화학식 4 및 5에서,

L ₁ , L ₂ , R ₁ 내지 R ₃ 는 화학식 2 및 3에서의 정의와 동일하다.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물의 치환기 L ₁ 및 L ₂ 는 각각 독립적으로 단일결합 또는 하기 구조 등에서 선택되는 하나로 치환될 수 있으며, 열 안정성 및 산화 안정성이 우수하여 구동시 발생될 수 있는 열화 및 산화에 대한 안정성을 향상시킬 수 있으며, 낮은 에너지 밴드갭과 낮은 구동 전압을 구현할 수 있어 좋다.

[상기 구조에서,

Z ₄ 내지 Z ₆ 는 각각 독립적으로 S 또는 Se이다.]

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물의 치환기 R ₁ 은 하기 구조에서 선택될 수 있으며, 이는 분자내 대칭성을 저하시켜 광전변환 효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 광활성층에 추가되는 전자 받게 물질 등과의 혼용성이 우수하고, 정공과 전자의 생성을 탁월하게 향상시킴으로써 보다 향상된 광전변환효율을 구현할 수 있어 좋다.

[상기 구조에서,

Z ₄ 내지 Z ₆ 는 각각 독립적으로 S 또는 Se이다.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물의 치환기 R ₂ 및 R ₃ 는 용매에 대한 높은 용해도를 가지기 위한 측면에서 각각 독립적으로 (C1-C20)알킬일 수 있으며, 비한정적인 일예로는 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-부틸, i-부틸, s-부틸, t-부틸, n-펜틸, i-펜틸, s-펜틸, n-헥실, i-헥실, s-헥실, n-헵틸, n-옥틸, n-노닐, n-데실, i-데실, n-운데실, n-도데실, n-트리데실, n-테트라데실, n-펜타데실 및 n-헥사데실 등에서 선택되는 직쇄 또는 분지쇄의 알킬일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 할로겐을 포함하고 있지 않은 용매(일예, 테트라하이드로퓨란 등)에 높은 용해도를 가질 뿐 아니라 열 안정성이 탁월한 측면에서, R ₂ 및 R ₃ 는 각각 독립적으로 (C1-C10)알킬, 특히 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-부틸, i-부틸, s-부틸, t-부틸, n-펜틸, i-펜틸, s-펜틸, n-헥실, i-헥실, s-헥실, n-헵틸 등에서 선택되는 저급 알킬이 보다 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.

보다 바람직하게 본 발명 따른 상기 유기 반도체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물을 포함하는 유기태양전지를 제공한다. 이때, 상기 유기 반도체 화합물은 유기태양전지의 광활성층에 포함할 수 있다.

일반적으로 본 발명에 따른 유기태양전지는 이하 상술하는 방법으로 제조될 수 있으나 이는 일례를 들어 설명하는 것으로 이에 한정이 있는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 유기태양전지는 기판, 제1전극, 정공 수송층, 광활성층, 전자 수송층 및 제2전극 등을 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물을 광활성층에 사용된다. 또한 전자 이동도를 높이기 위해 버퍼층 등의 유기물층을 더 포함할 수 있으며, 당 기술분야에 통상의 제조방법 및 재료를 이용하여 당 기술분야에 알려져 있는 구조로 제조 될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 기판은 유리 및 석영판 이외에도 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polyperopylene), PI(polyimide), PC(polycarbornate), PS(polystylene), POM(polyoxyethlene), AS 수지(acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 및 TAC(Triacetyl cellulose) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질로 제조될 수 있다.

또한 상기 제1 전극은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법 등을 사용하여 투명전극 물질을 상기 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성된다. 제1 전극(120)은 애노드의 기능을 하는 부분으로써, 후술하는 제2 전극(160)에 비해 일함수가 큰 물질로 투명성 및 도전성을 갖는 임의의 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, ITO(indium tin oxide), 금, 은, 플로린이 도핑된 틴 옥사이드(fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(aluminium doped zink oxide, AZO), IZO(indium zink oxide), ZnO-Ga ₂ O ₃ , ZnO-Al ₂ O ₃ 및 ATO(antimony tin oxide) 등이 있으며, 바람직하게는 ITO를 사용하는 것이 좋다.

상기 제1 전극의 상부에는 정공 수송층이 스핀코팅 또는 딥코팅 등의 방법을 통해 도입되는데, 본 발명에서는 전도성 고분자 용액으로서 폴리리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)[PEDOT:PSS]를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 광활성층에는 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물을 포함할 수 있으며, 이의 배합량은 용도에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 또한 상기 유기 반도체 화합물은 유기 용매에 용해시켜, 60 내지 120 nm 두께로 광활성층에 도입될 수 있다. 이때, 상기 유기용매는 아세톤, 메탄올, THF, 톨루엔, 자일렌, 테트랄린, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠 또는 이들의 혼합용매 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물을 포함하는 상기 광활성층은 높은 전자 밀도로 인하여, 단락전류밀도(short circuit current density) 및 개방전압(open circuit voltage)이 증가하여 우수한 광전변환효율을 구현할 수 있으며, 분자내 파이-파이 스태킹에 인한 효과적인 전자 이동을 보일 수 있다.

또한 상기 광활성층은 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물을 전자 주게(donor) 물질로 사용 할 수 있으며, 전자 받게(acceptor) 물질과 함께 사용하여 태양광 등과 같은 외부광을 흡수하여, 이로부터 정공과 전자를 효과적으로 생성시킬 수 있다. 이때, 상기 전자 받게(acceptor) 물질은 당 기술분야에서 사용되는 물질이라면 한정되는 것은 아니며, 비한정적인 일예로는 플러렌 또는 그 유도체(예를 들면, 플러렌 유도체인 PC ₇₁ BM), CdSe 등의 나노 결정, 탄소 나노 튜브, 나노 로드 PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10 perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) 등에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예 따른 광활성층은 유기태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위해, 추가적인 첨가제를 사용할 수 있으며, 상기 첨가제 역시 당 기술분야에서 사용되는 물질이라면 한정되는 것은 아니며, 바람직하게 다이아이오도옥탄(1,8-diiodooctane, DIO) 일 수 있다. 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물과 다이아이오도옥탄을 광활성층에 포함한 유기태양전지의 경우, 파이결합 전이와 관련된 흡수 피크의 더 낮은 에너지로의 이동 현상을 보여, 상기 유기 반도체 화합물과 더욱 강하게 상호작용을 하는 것으로 예상된다.

상기 전자 수송층은 전자 수송층의 모폴로지를 향상시키기 위해 계면활성제(surfactant)를 첨가하여 제조 할 수 있다. 이때, 상기 전자 수송층은 친전자성 기능을 가지는 수용성 고분자를 물, 에탄올 또는 이들의 혼합용매에 용해하고, 상기 고분자 용액에 계면활성제를 첨가한 후 여과하여 박막을 형성하는 단계를 포함하여 제조할 수 있다. 이때, 상기 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자로는 폴리[9,9-비스(6'-디에탄올아미노)헥실)-플루오렌]이 바람직하며, 상기 계면활성제는 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 수용성 고분자 및 계면활성제가 혼합된 용액을 스핀 코팅 등의 방법으로 2 내지 20 nm 코팅하여 열처리하는 것이 좋다. 이때, 상기 전자 수송층은 스핀코팅의 방법 외에도 딥코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드 또는 브러쉬 페인팅 등의 방법을 응용할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

또한 상기 제2 전극은 전자 수송층이 도입된 상태에서 열증착기를 이용하여 증착될 수 있다. 이때 사용 가능한 전극재료로는 불화리튬/알루미늄, 불화리튬/칼슘/알루미늄, 칼슘/알루미늄, 불화바륨/알루미늄, 불화바륨/바륨/알루미늄, 바륨/알루미늄, 알루미늄, 금, 은, 마스네슘:은 및 리튬:알루미늄 등에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 불화바륨/바륨/알루미늄 구조로 제작된 전극을 사용하는 것이 좋다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 어떤 의미로든 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.

(실시예 1)9,10-비스((4-헥실페닐)에티닐)-2-(나프탈렌-2-일)안트라센 (9,10-bis((4-hexylphenyl)ethynyl)-2-(naphthalen-2-yl)anthracene (NDHPEA)의 합성

단계 1: 2-브로모-9,10-비스((4-헥실페닐)에티닐)안트라센 (2-bromo-9,10-bis((4-hexylphenyl)ethynyl)anthracene (DHPEA)) 의 합성

플라스크에 1-헥실-4-펜틸벤젠(3.07 g, 16.5 mL)을 넣고 테트라하이드로퓨란(THF) 50 mL에 녹인 후 아이소프로필마그네슘 클로라이드(8.3 mL, 16.5 mmol, 2 M in THF)를 투입하였다. 60 ℃에서 30분간 가열한 뒤 실온(23 ℃)으로 하온하였다. 2-브로모안트라센-9,10-다이온(1 g, 3.5 mmol)을 추가 투입한 후 모든 고체가 사라지고 용액이 어두운 갈색이 될 때까지 60 ℃로 가열하였다(약 2 시간). 다시 반응물을 실온으로 식힌 뒤, 10 % HCl 10 mL에 SnCl ₂ (4 g, 21 mmol)을 녹인 용액을 천천히 투입하였다. 반응물을 60 ℃에서 30분 더 가열한 뒤 실온으로 식히고 빠르게 메탄올 400 mL을 투입하였다. 침전된 오렌지색 고체를 필터하고, 메탄올로 씻은 뒤 건조하였다. 고체 생성물을 톨루엔(100m)에 녹여 짧은 길이의 실리카겔 컬럼를 통과시킨다. 헥산/톨루엔(1:2, v/v)으로 재결정 하여 오렌지색인 목적 화합물 2-브로모-9,10-비스((4-헥실페닐)에티닐)안트라센(DHPEA)를 수득하였다(1.68 g, 수득률 = 67.2 %).

¹ H-NMR (300 MHz, CDCl ₃ ): δ 8.38 (s, 1H), 8.69-8.66 (m, 2 H), 8.57 (d, 1 H, J = 9.00 Hz), 7.71-7.68 (m, 8H), 7.31-7.28 (m, 3H), 2.70 (t, 4 H, J = 8.75 Hz), 1.71-1.66 (m, 4 H), 1.36-1.34 (m, 12 H), 0.93 (t, 3 H, J = 6.81 Hz).

MS (EI): m/z 624 (M+).

단계 2: 9,10-비스((4-헥실페닐)에티닐)-2-(나프탈렌-2-일)안트라센 (9,10-bis((4-hexylphenyl)ethynyl)-2-(naphthalen-2-yl)anthracene (NDHPEA)의 합성

플라스크에 단계1에서 제조된 DHPEA(1 g, 1.6 mmol)와 나프탈렌-2-일보로닉 에시드(0.83 g, 4.8 mmol) 을 넣고 테트라하이드로퓨란(THF) 30 mL에 용해하였다. 촉매 테트라키스(트리패닐 포스핀)팔라듐(0)(0.092 g, 5 % mol)와 2 M 탄산소듐 7 mL을 투입하고 질소 치환을 실시하였다. 반응물을 90 ℃에서 3일 동안 반응하였다. 반응 종결 후 실온까지 식히고, 탄산수소나트륨 용액을 붓고, 클로로포름로 추출하였다. 유기층을 브린(brine)으로 씻어주고 황산마그네슘으로 수분을 제거하였다. 컬럼 크로마토그래피(헥산 100 %)를 통해 붉은색 목적 화합물 9,10-비스((4-헥실페닐)에티닐)-2-(나프탈렌-2-일)안트라센(NDHPEA)를 수득하였다(0.54 g, 수득률 = 50 %).

¹ H-NMR (300 MHz, CDCl ₃ ): δ 9.04 (s, 1H), 9.03 (d, 1 H, J = 8.96 Hz), 8.80-8.79 (m, 2 H), 8.32 (s, 1H), 8.04-7.93 (m, 6 H), 7.75-7.65 (m, 6 H), 7.58-7.54 (m, 2H), 7.32-7.28 (m, 3H), 2.70 (t, 4 H, J = 8.75 Hz), 1.71-1.66 (m, 4 H), 1.36-1.34 (m, 12 H), 0.93 (t, 3 H, J = 6.81 Hz).

MS (EI): m/z 672 (M+).

(실시예 2) 2-(9,10-비스((4-헥실페닐)에티닐)안드라센-2-일)-5-(나프탈렌-2-일)싸이오펜 (2-(9,10-bis((4-hexylphenyl)ethynyl)anthracen-2-yl)-5-(naphthalen-2-yl)thiophene (TNDHPEA) 의 합성

플라스크에 단계1에서 제조된 DHPEA(1 g, 1.6 mmol)과 4,4,5,5-테트라메틸-2-(5-(나프탈렌-2-일)싸이오펜-2-일)-1,3,2-다이옥사보로란(1.61 g, 4.8 mmol) 을 테트라하이드로퓨란(THF) 5 mL와 톨루엔 30 mL의 혼합용액에 용해하였다. 촉매 테트라키스(트리패닐 포스핀)팔라듐(0)(0.092 g, 5 % mol)와 2 M 탄산소듐 7 mL을 투입하고 질소 치환을 실시하였다. 반응물을 90 ℃에서 3일 동안 반응한 후 실온까지 식혀 탄산수소나트륨용액을 붓고, 클로로포름로 추출하였다. 유기층을 브린(brine)으로 씻어주고 황산마그네슘으로 수분을 제거하였다. 컬럼 크로마토그래피(헥산 100 %)를 통해 붉은색 목적 화합물 2-(9,10-비스((4-헥실페닐)에티닐)안드라센-2-일)-5-(나프탈렌-2-일)싸이오펜(TNDHPEA)을 수득하였다(0.66 g, 수득률 = 55 %).

¹ H-NMR (300 MHz, CDCl ₃ ): δ 9.04 (s, 1H), 9.03 (d, 1 H, J = 8.96 Hz), 8.80-8.79 (m, 2 H), 8.32 (s, 1H), 8.04-7.93 (m, 6 H), 7.75-7.65 (m, 6 H), 7.58-7.54 (m, 2H), 7.32-7.28 (m, 3H), 2.70 (t, 4 H, J = 8.75 Hz), 1.71-1.66 (m, 4 H), 1.36-1.34 (m, 12 H), 0.93 (t, 3 H, J = 6.81 Hz).

MS (EI): m/z 754 (M+)

(실시예 3) 4,8-비스((4-헥실페닐)에티닐)-2-나프탈렌-2-일)벤조[1,2-비:4,5-비']다이싸이오펜(4,8-bis((4-hexylphenyl)ethynyl)-2-(naphthalen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)(NDHPEB)의 합성

단계 1: 2-브로모-4,8-비스((4-헥실페닐)에티닐)벤조[1,2-비:4,5-비']다이싸이오펜(2-bromo-4,8-bis((4-hexylphenyl)ethynyl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)(DHPEB)의 합성

에티닐벤젠을 0 ℃ 테트라하이드로퓨란(THF) 300 mL에 녹이고, n-부틸리튬(2.5M in Hexane) 11.67 mL를 0 ℃에서 30분간 투입하였다. 3-에이,4에이,7에이,8에이-테트라하이드로벤조[1,2-비:4,5-비']다이싸이오펜-4,8-다이온을 추가 투입하고, 혼합물을 1시간 동안 65 ℃로 가열하였다. 상기 혼합물을 0 ℃로 식힌 후 SnCl ₂ (6 mL, 010266 mmol)를 염산과 함께 투입한 후 환류 조건에서 12 시간 동안 교반하였다. 이에, 물을 부어 반응을 종결한 후 다이클로로메탄(MC)으로 추출하고, 황산마그네슘으로 수분을 제거하였다. 컬럼 크로마토그래피(헥산:다이클로로메탄=15:1)를 통해 정제 한 후 헥산과 클로로포름으로 재결정하여 중간 목적 화합물인 4,8-비스((4-헥실페닐)에티닐)벤조[1,2-비:4,5-비']다이싸이오펜을 수득하였다. 이 화합물을 건조시킨 뒤 초자에 담고 테트라하이드로퓨란(THF) 250 mL에 녹인 후 -78 ℃로 온도를 낮추고, n-부틸리튬(2.5 M, 5.44 mL)을 천천히 가하고 -78 ℃에서 교반하였다. 온도를 계속 유지하며 CBr ₄ (5.22 g)을 가하고 30분간 교반하였다. 이후 상온(23 ℃)에서 12 시간 동안 교반하였다. 이후 용액에 물을 부어 반응을 종결하고 유기용매로 추출한 뒤 황산마그네슘으로 수분을 제거하였다. 용매를 제거한 뒤 얻은 고체를 매우 소량의 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹이고 과량의 메탄올을 가해 재결정하고 이 과정을 통해 얻어진 고체를 필터하여 목적화합물인 DHPEB를 수득하였다. (9.33 g, 수득률 = 61 %).

¹ H-NMR (300 MHz, DMSO): δ 7.78-7.76 (m, 2 H), 7.47 (d, 4 H), 7.24-7.19 (m, 5 H), 2.64 (t, 4 H), 1.6-1.56 (m, 4 H), 1.32-1.27 (m, 12 H), 0.90-0.86 (m, 6 H).

단계 2: 4,8-비스((4-헥실페닐)에티닐)-2-나프탈렌-2-일)벤조[1,2-비:4,5-비']다이싸이오펜(4,8-bis((4-hexylphenyl)ethynyl)-2-(naphthalen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)(NDHPEB)의 합성

플라스크에 단계1에서 제조된 DHPEB(1 g, 1.6 mmol)과 나프탈렌-2-일보로닉에시드(0.323 g, 1.9 mmol) 을 톨루엔 50 mL에 용해하였다. 촉매 테트라키스(트리패닐 포스핀)팔라듐(0)(0.07248 g)와 2 M 탄산소듐 25 mL을 투입하고 질소 치환을 실시하였다. 반응물을 120 ℃에서 반응한 후 TLC확인 후 실온까지 식혀 탄산수소나트륨용액을 부어 반응을 종결시킨 뒤 클로로포름로 추출하였다. 유기층을 브린(brine)으로 씻어주고 황산마그네슘으로 수분을 제거하였다. 컬럼 크로마토그래피를 통해 목적 화합물 4,8-비스((4-헥실페닐)에티닐)-2-나프탈렌-2-일)벤조[1,2-비:4,5-비']다이싸이오펜 (NDHPEB) 을 수득하였다(0.52 g, 수득률 = 48.60 %).

¹ H-NMR (300 MHz, CDCl ₃ ): δ 8.46 (s, 1H), 8.11 (m, 1 H), 8.00-7.96 (m, 3 H), 7.78-7.76 (m, 2H), 7.61-7.59 (m, 3 H), 7.47 (d, 4 H), 7.19 (d, 4H), 2.64 (t, 4H), 1.60-1.57 (m, 4 H), 1.30-1.28 (m, 12 H), 0.90-0.88 (m, 6 H)

(실시예 4) 4,8-비스((4-헥실페닐)에티닐)-2-(5-나프탈렌-2-일)싸이오펜-2-일)벤조[1,2-비:4,5-비']다이싸이오펜(4,8-bis((4-hexylphenyl)ethynyl)-2-(5-(naphthalen-2-yl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene) (TNDHPEB)의 합성

플라스크에 실시예 3의 단계1에서 제조된 DHPEB(1 g, 1.6 mmol)과 (4-(나프탈렌-2-일)사이클로펜다-1,3-다이엔-1-일)보로닉에시드(0.478 g, 1.9 mmol) 을 톨루엔 50 mL에 용해하였다. 촉매 테트라키스(트리패닐 포스핀)팔라듐(0)(0.07248 g)와 2 M 탄산소듐 25 mL을 투입하고 질소 치환을 실시하였다. 반응물을 120 ℃에서 반응한 후 TLC확인 후 실온까지 식혀 탄산수소나트륨용액을 부어 반응을 종결시킨 뒤 클로로포름로 추출하였다. 유기층을 브린(brine)으로 씻어주고 황산마그네슘으로 수분을 제거하였다. 컬럼 크로마토그래피를 통해 목적 화합물 4,8-비스((4-헥실페닐)에티닐)-2-(5-나프탈렌-2-일)싸이오펜-2-일)벤조[1,2-비:4,5-비']다이싸이오펜 (TNDHPEB) 을 수득하였다(0.13 g, 수득률 = 21.67 %).

¹ H-NMR (300 MHz, CDCl ₃ ): δ 8.46 (s, 1H), 8.11 (m, 1 H), 8.00-7.96 (m, 3 H), 7.78-7.76 (m, 2H), 7.61-7.59 (m, 2 H), 7.51-7.47 (m, 6 H), 7.34 (d, 1H), 7.19 (d, 4H), 2.64 (t, 4H), 1.60-1.57 (m, 4 H), 1.30-1.28 (m, 12 H), 0.90-0.88 (m, 6 H)

(실시예 5) 실시예 1의 화합물(NDHPEA)을 이용한 유기태양전지제작

투명전극인 ITO가 코팅된 유리기판을 먼저 아세톤, 이소프로필 알코올을 각각 사용하여 음파세척을 한 후 UV-Ozone 처리를 30 분간 실시하였다. 그 위에 PEDOT-PSS(Baytron P TP AI 4083, Bayer AG)를 스핀 코팅하여 40 nm 두께로 층을 코팅하였다. 그 후 120 ℃에서 10 분간 어닐링을 하여 용매를 제거하였다. 광활성층은 본 발명에 따른 실시예 1의 화합물(NDHPEA) 5 mg을 사용하여 PCBM 유도체(PC71BM)를 1:3 w/w 비율로 다이클로로벤젠 용매에 40 mg/ml 농도로 섞은 후 옥타다이싸이올(ODT) 0.5 vol%를 첨가하여 잘 섞었다. 그 후 60 ℃에서 12 시간 동안 교반시킨 후에 0.2 폴리테트라플루오로에틸렌 필터로 물질을 필터한 후 PEDOT-PSS 층위에 1000 rpm 속도로 60 초간 스핀코팅을 실시하였다. 그 후에 고진공 (2 X 10-6 torr)에서 LiF(1 nm)를 코팅하고 금속 전극으로 알루미늄(Al)을 100 nm 두께로 증착하여 유기태양전지를 제조하였다.

(실시예 6) 실시예 2의 화합물(TNDHPEA)을 이용한 유기태양전지제작

상기 실시예 5에서 실시예 1의 화합물(NDHPEA) 대신 실시예 2의 화합물(TNDHPEA)을 이용하여, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.

(실시예 7) 실시예 3의 화합물(NDHPEB)을 이용한 유기태양전지제작

상기 실시예 5에서 실시예 1의 화합물(NDHPEA) 대신 실시예 3의 화합물(NDHPEB)을 이용하여, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.

(실시예 8) 실시예 4의 화합물(TNDHPEB)을 이용한 유기태양전지제작

상기 실시예 5에서 실시예 1의 화합물(NDHPEA) 대신 실시예 4의 화합물(TNDHPEB)을 이용하여, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.

상기 실시예 1 및 실시예 2에서 합성된 신규한 유기 반도체 화합물의 광학적 및 전기화학적 성질을 분석하여 도 2에 나타내었다.

그 결과, 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 밴드갭이 넓어 장파장의 빛까지 흡수할 수 있으며 즉, 태양광과 유사한 파장영역의 빛까지 흡수가 가능하기 때문에 보다 많은 전류를 생산하게 되어 높은 단락전류가 발생할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 낮은 HOMO값을 가지는 것을 알 수 있는데, 이는 기존의 Acceptor보다 상대적으로 전자를 잘 잡아당기기 때문에 낮은 값을 가지는 것으로 설명할 수 있으며, 낮은 HOMO값으로 인해, 높은 개방전압의 형성이 가능할 뿐만 아니라 산화안정성도 높아지게 되어 상용화에 큰 이득이 될 것으로 예상된다.

도 1 에서는 실시예 1 및 실시예 2에서 합성된 유기 반도체 화합물에 대한 열적 안정성을 측정하기 위해 DSC를 이용하여 측정한 결과를 도시한 것으로 유리전이온도값이 각각 128 ℃, 179 ℃로 측정되었며, 상기 실시예 1에서 합성된 유기 반도체 화합물의 분해온도를 측정하기 위해 TGA를 이용하여 측정한 결과, 5 % 분해가 일어나는 온도는 455 ℃로 측정되어, 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 열적으로 안정한 화합물인 것을 알 수 있었다.

또한 상기 방법으로 제조된 유기태양전지의 전류밀도-전압 (JV) 특성을 Oriel 1000W solar simulator에 의해 100 mW/㎠ (AM 1.5G)로써 태양광을 모사한 조명하에서 측정하고, Voc(open circuit voltage), JSC(short-circuit current density), FF(fill factor), 및 에너지 변환 효율(η, overall conversion efficiency)의 광전 파라미터(photovoltaic parameter)를 측정하였다(표 1 참조).

유기태양전지의 특성은 크게 4가지 특성으로 나타낼 수 있는데, 단락전류(Short circuit current; Jsc), 개방전압(Open circuit voltage; Voc), 충진율(Fill factor; FF), 전력 변환 효율(Power conversion efficiency: PCE)이다. 이들 간의 상관관계는 아래의 식 1로 표현할 수 있다.

[식1]

상기 식1에서, 상기 P _in 은 유기태양전지에 입사되는 광세기이고, P _out 은 광조사하에서 낼 수 있는 최대 전력이고, J _sc 는 단락전류이며, V _oc 는 개방전압값이며, FF 는 충진율이다.

식 1에 의하면 고효율을 구현하기 위해서는 소자에 높은 단락전류와 개방전압이 필요하다. 또한 높은 충진율을 가져야만 고효율의 소자구현이 가능하다. 높은 단락전류를 구현하기 위해서는 재료적으로 높은 전하이동도를 가져야 하며 높은 개방전압은 분자 내 전자 공여체의 HOMO 값과 LUMO 값에 연관이 있다. 따라서 위와 같은 여러 가지 조건이 충족되었을 때 비로소 고효율의 유기태양전지가 가능해 진다.

도 3에서는 실시예 5 및 실시예 6에서 제작된 유기태양전지 특성인 전류밀도-전압(Current density-voltage)특성을 측정한 결과값을 도시하였다. 이때, 상기 도 3의 (a)는 실시예 5 및 실시예 6에서 PCBM 유도체(PC ₇₁ BM)를 사용하지 않고 제작된 유기태양전지의 hole-only decices 일 때 전류밀도-전압(Current density-voltage)특성을 측정한 결과값이고, (b)는 실시예 5 및 실시예 6에서 제작된 유기태양전지의 hole-only decices 일 때 전류밀도-전압(Current density-voltage)특성을 측정한 결과값이며, (c)는 실시예 5 및 실시예 6에서 제작된 유기태양전지의 electron-only devices의 전류밀도-전압(Current density-voltage)특성을 나타내는 도면이다.

또한, 본 발명에 따른 유기태양전지의 단락전류(Short circuit current; Jsc), 개방전압(Open circuit voltage; Voc), 충진율(Fill factor; FF) 및 광전변환효율(Power conversion efficiency: PCE)에 해당하는 결과값 및 본 발명에 따른 유기태양전지의 광활성층 제조시 다이아이오도옥탄(1,8-diiodooctane, DIO)의 첨가 유무에 따른 효과를 하기 표 1에 나타내었다.

그 결과, 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 밴드갭이 넓어 장파장의 빛까지 흡수할 수 있어, 보다 많은 전류를 생산함으로써, 높은 단락전류 값을 가지며, 낮은 HOMO값으로 인해, 높은 개방전압의 형성이 가능하므로, 효율이 우수한 유기태양전지로 제작될 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한 플러렌 유도체인 PC ₇₁ BM과의 조합으로 획기적으로 높은 광전변환효율을 가짐을 알 수 있었으며, 첨가제로 다이아이오도옥탄(1,8-diiodooctane, DIO)과의 조합으로, 보다 우수한 광전변환효율을 구현해 낼 수 있음을 알 수 있었다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화합물을 채용한 유기태양전지는 누설 전류를 감소시키며, 정공 이동도가 매우 높아서 광활성층에서 생성되고 분리된 전자가 제1전극으로 빠르게 이동하였기 때문에 우수한 양자효율을 나타낼 수 있음을 알 수 있다.