초록 ▼

연구의 목적 및 내용
새로운 나노광전 측정법을 개발하여 나노재료/구조를 기반으로 하는 태양전지 등의 광전소자의 국소 광전특성을 연구하고, 효율향상 및 공정개선에 활용한다. 측정시스템의 분해능을 향상시키기 위해 나노광학 기술과 고주파수 변조법을 접목시켜, 고해상도, 고정밀, 고속 광전측정법을 구축한다. 또한 유기태양전지에 주기적인 나노구조를 도입하고 전산모사 및 국소 광전측정를 통해 효율 향상 가능성을 연구한다. 새로운 방법으로 주기적이고 균일한 실리콘 기반 나노선을 성장하여 차세대 유/무기 광전소자 제작에 활용한다.
연구

연구의 목적 및 내용
새로운 나노광전 측정법을 개발하여 나노재료/구조를 기반으로 하는 태양전지 등의 광전소자의 국소 광전특성을 연구하고, 효율향상 및 공정개선에 활용한다. 측정시스템의 분해능을 향상시키기 위해 나노광학 기술과 고주파수 변조법을 접목시켜, 고해상도, 고정밀, 고속 광전측정법을 구축한다. 또한 유기태양전지에 주기적인 나노구조를 도입하고 전산모사 및 국소 광전측정를 통해 효율 향상 가능성을 연구한다. 새로운 방법으로 주기적이고 균일한 실리콘 기반 나노선을 성장하여 차세대 유/무기 광전소자 제작에 활용한다.
연구 결과
고해상도, 고감도 및 실시간 나노 광전류 영상 장치를 개발하고 다양한 나노재료/소자의 국소 광전특성을 연구하여 유/무기 에너지 변환소자의 효율 향상 연구에 활용하였다.
- 나노광학적 분석법과 수송측정법을 결함하여, 200 nm 급 해상도와, 1 pA 급 광전류 측정시스템을 구축하고 측정속도를 1 frame/sec 수준으로 향상시켰다. 더 나아가 근접장 나노탐침을 이용해 100 nm 이내의 해상도를 가지는 나노광전류 영상측정법을 개발하였다. 이를 통해 탄소나노튜브, 나노선, 그래핀 등의 나노소자의 금속접합 특성, 결함, 계면효과를 연구하고, 염료감응태양전지, 마이크로/나노구조 유/무기 태양전지에 적용하여 효율향상 및 공정개선 연구에 적용하였다.
- 유기 태양전지의 효율 개선을 목표로 나노임프린트 방법을 이용하여 주기적인 나노구조를 도입하고 광특성을 평가하였다. 우선 전산모사를 통해 활성층의 흡수 파장 영역에 빛이 국한되도록 2차원 나노구조를 설계하고 나노구조의 형태 및 주기를 최적화하였다. 나노임프린트법을 이용하여 ITO전극에 새로운 나노패터닝 공정법을 확립하고, 유기태양전지의 활성층에도 나노구조를 도입하였다. 380 nm 주기를 갖는 태양전지의 경우 최대20%의 효율증대를 나타내었다.
- 실리콘과 저메니움 기반의 나노포토닉스 연구를 위해 주기적인 수직배열 나노선을 성장하여 광전소자에 활용하고, 하이브리드 태양전지를 제작하여 1% 급의 효율을 보였으며 광전류영상 측정법을 통해 전하확산거리 측정 및 국소적인 광전특성을 분석하였다.
- 차세대 투명전극으로 활용가능성이 있는 고전도성 탄소나노튜브 박막을 제작하여 테라파 투과특성 측정을 통해 광학상수를 측정하고, 마이크로/나노구조를 도입함으로써, 기존의 금속을 대체하는 새로운 광학소자로의 활용가능성을 모색하였다.
연구결과의 활용계획
광전효과에 기반한 새로운 나노분석도구의 개발 및 이를 통한 나노구조 에너지 변환 소자
의 연구는 나노광소자, 태양전지, LED 발광소자 등의 개발과 효율 향상에 직접적으로 기
여할 것이다. 나노구조의 광학적 특성연구 및 광소자로서의 응용은, 태양광 에너지, 광통
신, 광디스플레이, 광컴퓨터 및 광결정과 관련되어 매우 많은 파급효과를 지니고 있다.
본 연구를 통해 개발된 고해상도, 고속 측정법을 나노계측기기 개발기업과의 협력을 통해
상업화를 추진하고, 대면적 나노임프린트법의 기술이전을 통한 실용하 가능성을 타진한
다. 새로운 나노광학 소자의 개발 필요성이 항상 대두되고 있으며, 그를 위해선 기초적인
기작들에 대한 이해가 필수적으로, 본 연구를 통해 새로운 물성을 가지는 다양한 나노재
료 개발, 물성 및 구조 분석 등에 이바지하여 나노 광전소자개발에 기여할 것이다.

Abstract ▼

Purpose& contents
Using a novel scanning photocurrent imaging method, we investigated various localized, optoelectronic characteristics in nanostructured light detectors/emitters and solar cells. We enhance the spatial resolution, current sensitivity, and measurement speed of the imaging by explo

Purpose& contents
Using a novel scanning photocurrent imaging method, we investigated various localized, optoelectronic characteristics in nanostructured light detectors/emitters and solar cells. We enhance the spatial resolution, current sensitivity, and measurement speed of the imaging by exploiting near-field optics and high frequency modulation. Our technique will help us to improve the performance of organic/inorganic photovoltaic devices based on periodic nanostructures.
Result
We have developed and improved the nanoscale, optoelectronic characterization techniques by using combined, optical microscope and electrical transport measurements for the study of localized response of nanoscale devices for energy conversion.
∙ We developed a high-speed, scanning photocurrent microscope with a spatial
resolution of 200 nm and a current sensitivity of 1 pA. To obtain the photocurrent imaging with a better spatial resolution of less than 100 nm, we exploited the near-field optical tools combined with high frequency light modulation. Our techniques has been used to characterize various local optoelectronic properties such as metal contacts, junctions and defects in the devices, providing a useful tool for improving the design and the performance of nanoscale photodetectors, light emitting devices, and solar cells.
∙We also fabricated novel organic solar cell devices by exploiting a periodic nanostructures. We have designed one- and two-dimensional nanostructure for an efficient confinement of absorbed light and optimized them with help of photocurrent imaging techniques. Maximum enhancement factor of 20% has been observed.
∙To support the device fabrication for an efficient energy conversion, we synthesized vertically-aligned silicon/germanium nanowires and fabricate various photovoltaic devices.
Expected Contribution
Localized information on the optoelectronic response in nanoscale devices can find various application in solar cells, optical communications and displays.
There have been increasing needs for developing novel nano-photonic devices and nano-optical measurement technique and hence it is essential to understand the basic mechanisms for various phenomena in nano-optoelectronics.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목 차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 47
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 50
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 53
• 7. 주관연구책임자(공동연구원) 대표적 연구실적 ... 54
• 8. 참고문헌 ... 54
• 9. 연구성과 ... 57
• 10. 기타사항 ... 61
• [별첨1] 대표연구성과 ... 62
• 자체평가 의견서 ... 67