초록 ▼

본 연구의 목표는 고품위 나노 박막 제조가 가능할 뿐 아니라 우수한 층덮임, 대면적화, 저온 공정이 가능한 원자층 증착(ALD) 방법을 차세대 태양전지 소자 제조에 체계적으로 접목, 차세대 태양전지 분야에서 당면한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 기술로 구현하는 것이었다. 이러한 목표를 이루기 위하여 선정한 태양전지는 유기태양 전지(OPV) 였으며, 유기태양 전지는 실리콘 태양전지에 비하여 저렴한 재료비, 단순한 제조단계, 그리고 박막화와 경량화 측면에서 이점이 커서 최근 많은 관심을 받고 있다.
유기 태양전지는 양극과 음극

본 연구의 목표는 고품위 나노 박막 제조가 가능할 뿐 아니라 우수한 층덮임, 대면적화, 저온 공정이 가능한 원자층 증착(ALD) 방법을 차세대 태양전지 소자 제조에 체계적으로 접목, 차세대 태양전지 분야에서 당면한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 기술로 구현하는 것이었다. 이러한 목표를 이루기 위하여 선정한 태양전지는 유기태양 전지(OPV) 였으며, 유기태양 전지는 실리콘 태양전지에 비하여 저렴한 재료비, 단순한 제조단계, 그리고 박막화와 경량화 측면에서 이점이 커서 최근 많은 관심을 받고 있다.
유기 태양전지는 양극과 음극의 위치가 적층된 순서에 따라 전통적인 구조와 그 반대의 형태인 두가지 형태가 있는데, 전통적인 형태의 소자에서는 전극이 낮은 일함수를 가지고 있어서 아래 적층물질과의 계면에서 손상이 발생, 안정성이 떨어진다는 단점이 큰 이슈로 부각되어 있다. 따라서 본 연구에서는 역구조형(inverted) 소자를 이용, 전지에 사용되는 재료의 특성을 평가 하였다. 도포 방법으로는 기존에 사용하던 sol-gel 방법과 powder를 분산시켜 용액을 spin coating하는 방식의 경우 재현성 확보가 어렵고 또 균일 도포가 어렵기 때문에, 이러한 단점을 개선할 수 있는 원자층 증착 기술을 사용하였다. 유기태양 전지의 전자 수송층과 정공 수송층으로 평가된 재료는 TiO₂, ZrO₂, HfO₂, NiO₂, WO(N) 이였으며, 각 재료의 ALD 공정 가능 영역을 체계적으로 연구하였다. ALD 공정은 TiO₂를 주 재료로 오존, 플라즈마, 열공정을 모두 평가 하였으며, 각 공정을 통해 제조된 막의 물리, 화학적 특성 평가와 함께 태양전지 특성 평가를 진행하였다. 광활성 층으로는 P3HT(Poly[3-hexylthiophene]), PCBM([6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 사용하였고, 소자의 적층 구조는 ITO/TiO₂/ P3HT: PCBM/PEDOT:PSS/Ag 이였다. 가장 높은 OPV의 효율(power conversion efficiency)은 ALD를 이용하여 얻은 3.5%였으며, 이는 ALD를 사용하지 않은 경우에 비하여 30% 정도의 개선된 값이다. 두께나 온도에 따른 증착막의 결정성이 변화하였는데, 결정성에 따라 변환 효율값도 함께 영향을 받았다. ALD 윈도우에서 20-30nm 이하에서는 비정질 그 이상에서는 결정질을 보였으며, 이러한 결정질 변화 임계 두께는 증착 온도가 높을수록 얇아지는 경향을 보였다. ZrO₂이나 HfO₂를 전자 수송층으로 사용하였을 경우 TiO₂보다 소자의 효율값이 50% 이상 낮았으며, 분석 결과 valence 밴드값이 낮아서 계면에서 전하의 이동이 원활하지 않았기 때문으로 밝혀졌다. NiO₂ ALD의 경우는 고품위 저온 공정의 가능성을 체계적으로 평가 하였고, 표면 거칠기의 개선이 시급한 현안임을 밝혀내었다. ALD 도핑을 통한 산화 박막 제조의 경우 플라즈마 공정을 주로 평가하였는데, 이때 탄소와 질소 도핑이 가능하였으나 정량적인 도핑 농도 조절에는 이르지 못하였다. 따라서 산화물과 질화물의 교차 증착을 통한 열 ALD 기반의 질소 도핑 연구가 진행중이다. 플라즈마를 이용하여 제조된 탄소와 질소가 도핑된 TiO₂의 경우, 열 ALD를 이용한 TiO₂ 재료와 유사한 소자 효율특성을 나타내었다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 9