共聚物和包含其的有机太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本说明书要求于2014年2月14日在KIPO提交的韩国专利申请第10-2014-0017223 号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
[0002] 本说明书涉及共聚物和包含其的有机太阳能电池。
【背景技术】
[0003] 有机太阳能电池是可通过应用光伏效应将太阳能直接转换为电能的器件。根据构 成薄膜的材料，太阳能电池可分类为无机太阳能电池和有机太阳能电池。典型的太阳能电 池通过掺杂作为无机半导体的结晶硅(Si)经由p-n结来制造。由于光吸收而产生的电子和 空穴扩散至p-n结点，在通过电场加速的同时移动至电极。该过程的功率转换效率定义为提 供至外电路的电功率与进入太阳能电池的太阳能功率之比，并且当在目前标准化的虚拟太 阳辐照条件下测量时该效率已达约24%。然而，由于相关技术中的无机太阳能电池在经济 可行性以及材料需求和供应方面有所限制，所以容易加工、廉价且具有各种功能性的有机 半导体太阳能电池作为长期替代能源已受到了关注。
[0004] 对于太阳能电池来说，重要的是提高效率使得由太阳能输出尽可能多的电能。为 了提高该太阳能电池的效率，在半导体内部生成尽可能多的激子很重要，而将所生成的电 荷带出到外部而不损失同样很重要。电荷损失的原因之一是所生成的电子和空穴由于复合 所致而湮灭。已建议了多种方法以将所生成的电子和空穴传递至电极而不损失，但是大多 数情况下都需要额外的过程，并因此可使制造成本增加。
【发明内容】
[0005] 技术问题
[0006] 本说明书的一个目的是提供共聚物和包含其的有机太阳能电池。
[0007] 技术方案
[0008] 本说明书提供了一种共聚物，其包含：由下式1表示的第一单元；由下式2表示的第 二单元；以及由下式3表示的第三单元；
[0015] 在式1至3中，
[0016] a和b各自为1至3的整数，
[0017]当a为2或更大时，两个或更多个Ll彼此相同或不同，
[0018] 当b为2或更大时，两个或更多个L2彼此相同或不同，
[0019] Ll和L2彼此相同或不同，并且各自独立地具有共辄结构，
[0020] Rl和R2彼此相同或不同，并且作为在Ll和L2的共辄结构中取代的取代基，各自独 立地为选自以下中的一种或两种或更多种:氢;氘；卤素基团；腈基;硝基；酰亚胺基；酰胺 基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或未经取代的烷 氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫氧基;经取代或未经取代的 芳基硫氧基;经取代或未经取代的烷基亚砜基;经取代或未经取代的芳基亚砜基;经取代或 未经取代的烯基;经取代或未经取代的甲硅烷基;经取代或未经取代的硼基;经取代或未经 取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的芳基胺基;经取代 或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的包含N、0和S 原子中的一者或更多者的杂环基。
[0021 ] Xl和X2彼此相同或不同，并且各自独立地为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，并且各自独立地为氢;氘；卤素基团；腈基;硝基； 酰亚胺基;酰胺基;羟基;经取代或未经取代的烷基;经取代或未经取代的环烷基;经取代或 未经取代的烷氧基;经取代或未经取代的芳氧基;经取代或未经取代的烷基硫氧基;经取代 或未经取代的芳基硫氧基;经取代或未经取代的烷基亚砜基;经取代或未经取代的芳基亚 砜基；经取代或未经取代的烯基；经取代或未经取代的甲硅烷基；经取代或未经取代的硼 基;经取代或未经取代的烷基胺基;经取代或未经取代的芳烷基胺基;经取代或未经取代的 芳基胺基;经取代或未经取代的杂芳基胺基;经取代或未经取代的芳基;或者经取代或未经 取代的包含N、0和S原子中的一者或更多者的杂环基。
[0023] 此外，本说明书提供了一种有机太阳能电池，其包括:第一电极;设置成面向第一 电极的第二电极；以及布置在第一电极与第二电极之间且包含光活性层的包含一个或更多 个层的有机材料层，其中所述有机材料层的一个或更多个层包含上述共聚物。
[0024] 有益效果
[0025] 本说明书的共聚物可用作用于有机太阳能电池的有机材料层的材料，并且包含所 述共聚物的有机太阳能电池可在开路电压和短路电流增加和/或效率增加等方面表现出优 异特性。
[0026]根据本说明书一个示例性实施方案的共聚物具有深HOMO能级、小带隙和高电荷迀 移率，并因此可表现出优异的特性。根据本说明书一个示例性实施方案的聚合物可单独使 用或以与其他材料的混合物形式用于有机太阳能电池中，可增强器件的效率并可且由于化 合物的热稳定性所致可增强器件的寿命特性。
【附图说明】
[0027]图1是说明根据本说明书一个示例性实施方案的有机太阳能电池的视图。
[0028] <附图标记说明>
[0029] 101:基底
[0030] 102:第一电极
[0031] 103:空穴传输层
[0032] 104:光活性层
[0033] 105:第二电极
【具体实施方式】
[0034] 下文中，将详细地描述本说明书。
[0035]在本说明书中，"单元"意指共聚物单体中包含的重复结构，以及其中所述单体通 过聚合与共聚物键合的结构。
[0036] 在本说明书中，"包含……单元"的含义意指所述单元包含在聚合物的主链中。
[0037] 根据本说明书示例性实施方案的共聚物包含：由式1表示的第一单元；由式2表示 的第二单元和由式3表示的第三单元。
[0038] 根据本说明书示例性实施方案的共聚物由三种单体制备。在这种情况下，合成方 案变得简单，使得易于合成该共聚物。
[0039]根据本说明书示例性实施方案的共聚物是无规共聚物。在无规共聚物的情况下， 由于结晶度减小，因而非晶程度增加，使得可以确保对热的长期稳定性，并且制造包含共聚 物的器件和模块的过程变得容易。
[0040]在所述共聚物中，第一单元、第二单元和第三单元中的每一种的摩尔比不受特别 的限制。
[0041 ] 相对于第一单元、第二单元和第三单元的摩尔数总和，第一单元和第三单元之和 的摩尔比可为0.5或更大。换言之，当第一单元、第二单元和第三单元的摩尔数总和限定为1 时，第一单元和第三单元的摩尔数之和的摩尔比可为〇. 5或更大。
[0042]此外，由于溶解度可通过调整无规共聚物中共聚物之间的比率而容易地调整，因 此可容易地提供适合于制造有机太阳能电池的方法的溶解度，从而制造具有高效率的有机 太阳能电池。
[0043]在本说明书的示例性实施方案中，包含第一单元、第二单元和第三单元的共聚物 具有深的最高占据分子轨道(HOMO)能级和高电荷迀移率，因而适合作为有机太阳能电池的 电子供体材料。
[0044]此外，在本说明书的示例性实施方案中，第一单元被Ll和L2取代，因而包含在其侧 链中的共辄结构。在此情况下，根据本说明书的示例性实施方案的共聚物可具有减小带隙 和/或增加吸光量的效应。
[0045]有机太阳能电池中所使用的侧链中的变化改变物理和化学特性，例如用作整体电 子供体的聚合物的溶解度，以及当共聚物单独或在与电子受体混合的材料被涂覆在有机太 阳能电池上时呈膜形式包含于有机太阳能电池中时，该膜的形态可调整，从而大幅影响有 机太阳能电池的效率。
[0046] 关于上述内容，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页中确 认，具有相同主链的电子供体聚合物根据其侧链变化可具有最高至200%的效率差异。
[0047] 将作为侧链的共辄结构(LI和L2)引入根据本说明书的示例性实施方案的共聚物， 从而导致带隙降低、电荷迀移率提高、在可见光区的广区中所吸收的光量增加，和/或分子 的平面性提高。在此情况下，分子之间的相互作用增加并且层良好地堆叠，从而提高有机太 阳能电池的效率。
[0048] 然而，当在另一位置取代该共辄结构（其中未充分考虑主链的平面性)时，主链的 平面性可能劣化，并且效率可能降低。此外，当将共辄结构引入共聚物的侧链(其中未充分 考虑主链的平面性)时，整体共聚物的溶解度降低，使得该聚合物可能不适合作为有机太阳 能电池的电子供体材料。
[0049]对于根据本说明书的示例性实施方案的共聚物，共辄结构可以引入式1的Ll和L2 的位置，这不会因聚合物的位阻而影响主链的平面性，从而提高分子的平面性以及效率，同 时保持可应用于器件的共聚物的适当溶解度。
[0050] 因此，根据本说明书的示例性实施方案，包含第一单元、第二单元和第三单元的共 聚物(其中第一单元的侧链包含共辄结构(LI和L2))可作为器件中的电子供体材料包含在 其中，包含该共聚物的器件可实现高效率。
[0051] 此外，根据本说明书的示例性实施方案的共聚物实现了高效率，同时具有适合的 溶解度，因而在制造器件期间具有在时间和/或成本方面的经济优点。
[0052] 根据本说明书的示例性实施方案的共聚物可仅由以下构成：由式1表示的第一单 元；由式2表示的第二单元;和由式3表示的第三单元。换言之，该共聚物可以不进一步包含 不包括在由式1表示的第一单元；由式2表示的第二单元;和由式3表示的第三单元中的重复 单元。
[0053] 在本说明书的示例性实施方案中，共聚物包含由下式4表示的单元。
[0054] [式 4]
[0056] 在式4中，
[0057] &、13、1^1、1^、乂1、乂2和1?1至1?5与上文限定的那些相同，
[0058] ΧΓ与Xl相同或不同，并且各自独立地与Xl的限定相同，
[0059] R3'与R3相同或不同，并且各自独立地与R3的限定相同，
[0060] 1是摩尔比，并且0<1<1，
[0061] m是摩尔比，并且0<m<l，
[0062] l+m=]_，以及
[0063] 〇 是整数，〇<0<1〇〇〇。
[0064] 取代基的实例将在下文描述，但不限于此。
[0065]在本说明书中，
意指与共聚物主链连接的位点，或者与另一取代基连接的位 点。
[0066] 在本说明书中，术语"经取代或未经取代的"意指不含取代基，或者被选自以下的 一种或更多种取代基所取代:氘；卤素基团；烷基;烯基;烷氧基;环烷基；甲硅烷基;芳基烯 基;芳氧基;烷基硫氧基;烷基亚讽基;芳基亚讽基;棚基;烷基胺基;芳烷基胺基;芳基胺基； 杂芳基;芳基胺基;