초록 ▼

연구의 목적 및 내용
나노 복합구조를 이용한 유기 태양 전지의 동작 원리 규명 및 고효율 유기태양전지 핵심 기술 개발.
○ 나노 복합구조를 이용한 고효율 유기태양전기 개발.
• 전력 변환효율 > 10% @ AM1.5 100 mW/cm²
○ 유기/무기 하이브리드 태양전지의 전력변환효율 > 2% @ AM1.5 100 mW/cm²
연구결과
나노 복합구조 유기태양전지의 효율 향상을 위한 박막 및 소자 특성 분석과 새로운 소자 구조 연구
○ 고효율 역구조 고분자

연구의 목적 및 내용
나노 복합구조를 이용한 유기 태양 전지의 동작 원리 규명 및 고효율 유기태양전지 핵심 기술 개발.
○ 나노 복합구조를 이용한 고효율 유기태양전기 개발.
• 전력 변환효율 > 10% @ AM1.5 100 mW/cm²
○ 유기/무기 하이브리드 태양전지의 전력변환효율 > 2% @ AM1.5 100 mW/cm²
연구결과
나노 복합구조 유기태양전지의 효율 향상을 위한 박막 및 소자 특성 분석과 새로운 소자 구조 연구
○ 고효율 역구조 고분자 유기태양전지 개발
① 전자추출층으로 IGZO 박막을 적용한 고효율 역구조 고분자 유기태양전지 개발
• PCE = 8.72%, J_SC= 17.47mA/cm², V_OC = 0.76V, FF = 65.36%
② IGZO의 In과 Ga의 도핑 농도 변화에 의한 박막의 결정성, 모폴로지 및 전기적 특성 분석 (전하이동도 : 3.5 cm²/Vㆍs)
○ 나노 복합구조 박막 특성 분식 및 유기태양전지 소자와의 상관관계 연구
① 온도 변화에 의한 박막의 특성변화를 재료 및 전기 광학적 방법으로 in situ 분석
• AFM, UV-Vis absorption, TOF-PC mobility, 및 XRD 분석
② P3HT:PCBM 박막의 열처리에 따른 태양전지 특성 분석 및 이를 통한 효율 향상 (PCE = 4.4%)
○ Additive solvent를 이용한 P3HT 나노와이어 형성 및 태양전지 성능 향상
① P3HT 나노와이어 형성을 이용한 태양전지 내 전하 수송능력 향상 구현 및 이를 통한 태양전지 효율 개선
② Additive solvent에 의한 고분자 박막의 상분리 상태 분석
• 중성자산란실험 (SANS)을 이용하여 P3HT 나노와이어 길이 (d~75 nm)와 PCBM 결정구역의 평균크기 (r~8 nm) 측정
○ 고효율 적층형 유기태양전지 구현을 위한 투명전극 및 중간 전극 개발
① LiF와 Al의 복합체 박막을 이용하여 일함수가 낮고 투과도가 높은 중간전극 구현
② PEDOT:PSS/ZnO 중간전극을 사용한 용액공정 적층형 태양전지 구현
• current, optical matching을 통해 고효율의 tandem 태양전지를 제작 (V_OC=1.25V)
③ 양쪽전극에서 빛의 흡수가 가능한 적층형 투명 유기태양전지 개발
• 하부전극투과도>85%, 상부전극투과도>45%
○ 유기/무기 하이브리드 태양전지의 효율 향상 연구
① 전도성 계면 활성제를 적용한 MDMO-PPV:ZnO 태양전지의 효율 향상 원인 연구
• 전도성 계면활성제 BQ를 도입하여 ZnO를 균일하게 분산할 수 있음을 발견함
• 이를 통해 엑시톤 분리 확률을 높이고, 활성화 에너지를 낮추어 전하전달 특성을 향상시키고, 내부 저항을 줄여서 MDMO-PPV:ZnO 태양전지의 효율을 높임.
② 유기/무기 하이브리드 태양전지의 박막 계면 개선을 통한 고효율화 연구
• PCPDTBT:ZnO 태양전지에 BQ를 도입하여 효율을 높임 (PCE = 2.25%, J_SC=7.86mA/cm²)
연구결과의 활용계획
○ 기대효과:
• 고분자 유기태양전지 분야의 원천기술 확보 및 유기태양전지의 실용화에 기여함
• 고효율 유기태양전지 개발을 통해 에너지 및 환경 문제 해결에 기여함
○ 응용분야 및 활용범위:
• 본 연구에서 개발하는 유기태양전지가 실용화되면 기존의 무기 태양전지보다 가격이 획기적으로 낮아지므로 태양전지 시장 확대가 기대됨
• 유기 태양전지는 휴대폰 등 휴대용전자제품에서부터 BIPV, 소규모 분산발전 등에 활용될 수 있음. 특히 (반)투명하게도 만들 수 있고, 휘어지게 만들 수도 있기 때문에 다양한 응용 분야가 창출될 것으로 전망됨
• 관련된 유기 광전자 소자 (OLED, OTFT 등) 연구에도 큰 기여를 할 수 있음

Abstract ▼

Purpose& contents
The purpose of this study is to understand the operating mechanism of organic solar cells based on polymer nanocomposite structure and to develop core technology for high-efficiency organic solar cells.
○ Develop high performance nanocomposite organic solar cells
• Power c

Purpose& contents
The purpose of this study is to understand the operating mechanism of organic solar cells based on polymer nanocomposite structure and to develop core technology for high-efficiency organic solar cells.
○ Develop high performance nanocomposite organic solar cells
• Power conversion efficiency (PCE) > 10 % @ AM1.5 100 mW/cm²
○ PCE for organic/inorganic hybrid solar cell > 2 % @ AM1.5 100 mW/cm²
Result
We have studied the nanocomposite film morphology and device characteristics, and developed new device structures for improving the efficiency of organic solar cells.
○ Development of high efficiency inverted polymer organic solar cells
① Development of an IGZO thin film as an electron extraction layer for high efficiency inverted polymer organic solasr cell
• PCE = 8.72%, J_SC= 17.47mA/cm², V_OC = 0.76V, FF = 65.36%
② Analysis of morphology, cyrstallinity and electrical properties of the IGZO film by changing In and Ga doping concentration (electron mobility: 3.5 cm²/Vㆍs)
○ Investigation of nanocomposite film properties and their correlation with the organic solar cell performance
① In situ analysis of thin film characteristics at various temperatures
• ATM, UV-Vis. absorption, TOF-PC mobility and XRD
② Investigation of optimal process conditions for improving the PCE of P3HT:PCBM solar cells (PCE = 4.4^).
○ Formation of P3HT nanowires using an additive solvent and improvement of efficiency thereof.
① Improvement of the PCE by enhancing the mobility through P3HT nanowire formation.
② Analysis of nano-composite structure with ideal phase separation state of solar cell
• SANS measurement of an ideal length of P3HT nanowires (d~75 nm) and PCBM grain sizel (r~8 nm)
○ Development of transparent inter-electrodes for realizing highly efficient organic tandem solar cells
① Development of inter-electrodes based on LiF and Al composites having high transparency and low work function
② Development of organic tandem solar cells using PEDOT:PSS/ZnO inter-electrodes
• Production of high efficiency tandem solar cell through current and optical matching (V_OC=1.25V)
③ Develop transparent tandem solar cell which can absorb light in borh electrodes.
• Lower electrode transmittance> 85%, upper electrode transmittance> 45%
○ Research for improving the efficiency of organic / inorganic hybrid solar cells
① Enhancement of the PCE of MDMO-PPV:ZnO cells by applying a conductive surfactant
• Achieving uniform dstribution of ZnO nanoparticles using conductive surfactant BQ.
• Introduction of BQ increases the probability of exciton separation and charge carrier transfer by reducing the activation energy and reduces the internal resistance, resulting in improved efficiency of MDMO-MMV:ZnO solar cells.
② Improving the interfacial properties for high efficiency organic/inorganic hybrid solar cells
• Improving the interfacial properties for high efficiency organic/inorganci hybrid solar cells
• Improvement of PCE and J_SC by introducing BQ in the PCPDTBT:ZnO solar cells (PCE = 2.25%, J_SC=7.86mA/cm²)
Expected Contribution
○ Expected contribution
• Contribute to acquire the core technology of polymer organic solar cells and practical applicationsl of organic solar cells
• Contribute to solve the energy and environmental problems through development of high efficiency organic solar cells
○ Application areas:
• When organic solar cells will be developed for practical applications, they can take a great portion of energy market since they are more competitive compared with inorganic solar cells in terms of cost.
• Organic solar cells can be used in applications such as cell phones, BIPV, and small distributed solar energy systems. In particular, various new applications will be developed since organic solar cells can be (semi)transparent and flexible.
• Contribute to improve the performance of other organic devices (OLEDs and OTFTs, etc.).

목차 Contents

• 도약연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 13
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 15
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 54
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 57
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 58
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 59
• 8. 참고문헌 ... 60
• 9. 연구성과 ... 61
• 10. 기타사항 ... 103