共聚物和包含其的有機太陽能電池的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本說明書要求于2014年2月14日在KIPO提交的韓國專利申請第10-2014-0017223 號的優先權，其公開內容通過引用整體并入本文。
[0002] 本說明書涉及共聚物和包含其的有機太陽能電池。
【背景技術】
[0003] 有機太陽能電池是可通過應用光伏效應將太陽能直接轉換為電能的器件。根據構 成薄膜的材料，太陽能電池可分類為無機太陽能電池和有機太陽能電池。典型的太陽能電 池通過摻雜作為無機半導體的結晶硅(Si)經由p-n結來制造。由于光吸收而產生的電子和 空穴擴散至p-n結點，在通過電場加速的同時移動至電極。該過程的功率轉換效率定義為提 供至外電路的電功率與進入太陽能電池的太陽能功率之比，并且當在目前標準化的虛擬太 陽輻照條件下測量時該效率已達約24%。然而，由于相關技術中的無機太陽能電池在經濟 可行性以及材料需求和供應方面有所限制，所以容易加工、廉價且具有各種功能性的有機 半導體太陽能電池作為長期替代能源已受到了關注。
[0004] 對于太陽能電池來說，重要的是提高效率使得由太陽能輸出盡可能多的電能。為 了提高該太陽能電池的效率，在半導體內部生成盡可能多的激子很重要，而將所生成的電 荷帶出到外部而不損失同樣很重要。電荷損失的原因之一是所生成的電子和空穴由于復合 所致而湮滅。已建議了多種方法以將所生成的電子和空穴傳遞至電極而不損失，但是大多 數情況下都需要額外的過程，并因此可使制造成本增加。
【發明內容】
[0005] 技術問題
[0006] 本說明書的一個目的是提供共聚物和包含其的有機太陽能電池。
[0007] 技術方案
[0008] 本說明書提供了一種共聚物，其包含：由下式1表示的第一單元；由下式2表示的第 二單元；以及由下式3表示的第三單元；
[0015] 在式1至3中，
[0016] a和b各自為1至3的整數，
[0017]當a為2或更大時，兩個或更多個Ll彼此相同或不同，
[0018] 當b為2或更大時，兩個或更多個L2彼此相同或不同，
[0019] Ll和L2彼此相同或不同，并且各自獨立地具有共輒結構，
[0020] Rl和R2彼此相同或不同，并且作為在Ll和L2的共輒結構中取代的取代基，各自獨 立地為選自以下中的一種或兩種或更多種:氫;氘；鹵素基團；腈基;硝基；酰亞胺基；酰胺 基;羥基;經取代或未經取代的烷基;經取代或未經取代的環烷基;經取代或未經取代的烷 氧基;經取代或未經取代的芳氧基;經取代或未經取代的烷基硫氧基;經取代或未經取代的 芳基硫氧基;經取代或未經取代的烷基亞砜基;經取代或未經取代的芳基亞砜基;經取代或 未經取代的烯基;經取代或未經取代的甲硅烷基;經取代或未經取代的硼基;經取代或未經 取代的烷基胺基;經取代或未經取代的芳烷基胺基;經取代或未經取代的芳基胺基;經取代 或未經取代的雜芳基胺基;經取代或未經取代的芳基；和經取代或未經取代的包含N、0和S 原子中的一者或更多者的雜環基。
[0021 ] Xl和X2彼此相同或不同，并且各自獨立地為CRR'、NR、0、SiRR'、PR、S、GeRR'、Se或 Te，以及
[0022] R、R'和R3至R5彼此相同或不同，并且各自獨立地為氫;氘；鹵素基團；腈基;硝基； 酰亞胺基;酰胺基;羥基;經取代或未經取代的烷基;經取代或未經取代的環烷基;經取代或 未經取代的烷氧基;經取代或未經取代的芳氧基;經取代或未經取代的烷基硫氧基;經取代 或未經取代的芳基硫氧基;經取代或未經取代的烷基亞砜基;經取代或未經取代的芳基亞 砜基；經取代或未經取代的烯基；經取代或未經取代的甲硅烷基；經取代或未經取代的硼 基;經取代或未經取代的烷基胺基;經取代或未經取代的芳烷基胺基;經取代或未經取代的 芳基胺基;經取代或未經取代的雜芳基胺基;經取代或未經取代的芳基;或者經取代或未經 取代的包含N、0和S原子中的一者或更多者的雜環基。
[0023] 此外，本說明書提供了一種有機太陽能電池，其包括:第一電極;設置成面向第一 電極的第二電極；以及布置在第一電極與第二電極之間且包含光活性層的包含一個或更多 個層的有機材料層，其中所述有機材料層的一個或更多個層包含上述共聚物。
[0024] 有益效果
[0025] 本說明書的共聚物可用作用于有機太陽能電池的有機材料層的材料，并且包含所 述共聚物的有機太陽能電池可在開路電壓和短路電流增加和/或效率增加等方面表現出優 異特性。
[0026]根據本說明書一個示例性實施方案的共聚物具有深HOMO能級、小帶隙和高電荷迀 移率，并因此可表現出優異的特性。根據本說明書一個示例性實施方案的聚合物可單獨使 用或以與其他材料的混合物形式用于有機太陽能電池中，可增強器件的效率并可且由于化 合物的熱穩定性所致可增強器件的壽命特性。
【附圖說明】
[0027]圖1是說明根據本說明書一個示例性實施方案的有機太陽能電池的視圖。
[0028] <附圖標記說明>
[0029] 101:基底
[0030] 102:第一電極
[0031] 103:空穴傳輸層
[0032] 104:光活性層
[0033] 105:第二電極
【具體實施方式】
[0034] 下文中，將詳細地描述本說明書。
[0035]在本說明書中，"單元"意指共聚物單體中包含的重復結構，以及其中所述單體通 過聚合與共聚物鍵合的結構。
[0036] 在本說明書中，"包含……單元"的含義意指所述單元包含在聚合物的主鏈中。
[0037] 根據本說明書示例性實施方案的共聚物包含：由式1表示的第一單元；由式2表示 的第二單元和由式3表示的第三單元。
[0038] 根據本說明書示例性實施方案的共聚物由三種單體制備。在這種情況下，合成方 案變得簡單，使得易于合成該共聚物。
[0039]根據本說明書示例性實施方案的共聚物是無規共聚物。在無規共聚物的情況下， 由于結晶度減小，因而非晶程度增加，使得可以確保對熱的長期穩定性，并且制造包含共聚 物的器件和模塊的過程變得容易。
[0040]在所述共聚物中，第一單元、第二單元和第三單元中的每一種的摩爾比不受特別 的限制。
[0041 ] 相對于第一單元、第二單元和第三單元的摩爾數總和，第一單元和第三單元之和 的摩爾比可為0.5或更大。換言之，當第一單元、第二單元和第三單元的摩爾數總和限定為1 時，第一單元和第三單元的摩爾數之和的摩爾比可為〇. 5或更大。
[0042]此外，由于溶解度可通過調整無規共聚物中共聚物之間的比率而容易地調整，因 此可容易地提供適合于制造有機太陽能電池的方法的溶解度，從而制造具有高效率的有機 太陽能電池。
[0043]在本說明書的示例性實施方案中，包含第一單元、第二單元和第三單元的共聚物 具有深的最高占據分子軌道(HOMO)能級和高電荷迀移率，因而適合作為有機太陽能電池的 電子供體材料。
[0044]此外，在本說明書的示例性實施方案中，第一單元被Ll和L2取代，因而包含在其側 鏈中的共輒結構。在此情況下，根據本說明書的示例性實施方案的共聚物可具有減小帶隙 和/或增加吸光量的效應。
[0045]有機太陽能電池中所使用的側鏈中的變化改變物理和化學特性，例如用作整體電 子供體的聚合物的溶解度，以及當共聚物單獨或在與電子受體混合的材料被涂覆在有機太 陽能電池上時呈膜形式包含于有機太陽能電池中時，該膜的形態可調整，從而大幅影響有 機太陽能電池的效率。
[0046] 關于上述內容，可在Clement Cabanetos、Abdu lrahman El Labban、Jonathan A·Bartelt、Jessica D.Douglas、William R.Mateker、Jean M·J·Frechet、Michael D.McGehee和Pierre M.Beaujuge的J.Am.Chem· Soc.，2013,135(12)，第4656-4659頁中確 認，具有相同主鏈的電子供體聚合物根據其側鏈變化可具有最高至200%的效率差異。
[0047] 將作為側鏈的共輒結構(LI和L2)引入根據本說明書的示例性實施方案的共聚物， 從而導致帶隙降低、電荷迀移率提高、在可見光區的廣區中所吸收的光量增加，和/或分子 的平面性提高。在此情況下，分子之間的相互作用增加并且層良好地堆疊，從而提高有機太 陽能電池的效率。
[0048] 然而，當在另一位置取代該共輒結構（其中未充分考慮主鏈的平面性)時，主鏈的 平面性可能劣化，并且效率可能降低。此外，當將共輒結構引入共聚物的側鏈(其中未充分 考慮主鏈的平面性)時，整體共聚物的溶解度降低，使得該聚合物可能不適合作為有機太陽 能電池的電子供體材料。
[0049]對于根據本說明書的示例性實施方案的共聚物，共輒結構可以引入式1的Ll和L2 的位置，這不會因聚合物的位阻而影響主鏈的平面性，從而提高分子的平面性以及效率，同 時保持可應用于器件的共聚物的適當溶解度。
[0050] 因此，根據本說明書的示例性實施方案，包含第一單元、第二單元和第三單元的共 聚物(其中第一單元的側鏈包含共輒結構(LI和L2))可作為器件中的電子供體材料包含在 其中，包含該共聚物的器件可實現高效率。
[0051] 此外，根據本說明書的示例性實施方案的共聚物實現了高效率，同時具有適合的 溶解度，因而在制造器件期間具有在時間和/或成本方面的經濟優點。
[0052] 根據本說明書的示例性實施方案的共聚物可僅由以下構成：由式1表示的第一單 元；由式2表示的第二單元;和由式3表示的第三單元。換言之，該共聚物可以不進一步包含 不包括在由式1表示的第一單元；由式2表示的第二單元;和由式3表示的第三單元中的重復 單元。
[0053] 在本說明書的示例性實施方案中，共聚物包含由下式4表示的單元。
[0054] [式 4]
[0056] 在式4中，
[0057] &、13、1^1、1^、乂1、乂2和1?1至1?5與上文限定的那些相同，
[0058] ΧΓ與Xl相同或不同，并且各自獨立地與Xl的限定相同，
[0059] R3'與R3相同或不同，并且各自獨立地與R3的限定相同，
[0060] 1是摩爾比，并且0<1<1，
[0061] m是摩爾比，并且0<m<l，
[0062] l+m=]_，以及
[0063] 〇 是整數，〇<0<1〇〇〇。
[0064] 取代基的實例將在下文描述，但不限于此。
[0065]在本說明書中，
意指與共聚物主鏈連接的位點，或者與另一取代基連接的位 點。
[0066] 在本說明書中，術語"經取代或未經取代的"意指不含取代基，或者被選自以下的 一種或更多種取代基所取代:氘；鹵素基團；烷基;烯基;烷氧基;環烷基；甲硅烷基;芳基烯 基;芳氧基;烷基硫氧基;烷基亞諷基;芳基亞諷基;棚基;烷基胺基;芳烷基胺基;芳基胺基； 雜芳基;芳基胺基;