초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구과제에서는 자체 개발된 촉매 프린팅 기술을 활용해 경제적이며 효과적으로 패턴 제어된 프리스탠딩 반도체 나노선 제조법 개발과 효과적인 나노선 합성방법의 정립을 통한 고성능 광전극 구현으로 광전소자의 변환효율을 향상시키는 것을 최종목표로 연구를 진행하였다. 이 최종목표에 도달하기 위한 세부목표로,
1) 접촉-프린팅기술을 활용한 금속 촉매 나노닷의 패턴제어 및 프린팅기술 확립
2) 프린팅된 금속 나노닷을 촉매로 활용하여 프리스탠딩 반도체 나노선 성장 및 패턴제어
3) 광전극에 적합한 N-

연구의 목적 및 내용
본 연구과제에서는 자체 개발된 촉매 프린팅 기술을 활용해 경제적이며 효과적으로 패턴 제어된 프리스탠딩 반도체 나노선 제조법 개발과 효과적인 나노선 합성방법의 정립을 통한 고성능 광전극 구현으로 광전소자의 변환효율을 향상시키는 것을 최종목표로 연구를 진행하였다. 이 최종목표에 도달하기 위한 세부목표로,
1) 접촉-프린팅기술을 활용한 금속 촉매 나노닷의 패턴제어 및 프린팅기술 확립
2) 프린팅된 금속 나노닷을 촉매로 활용하여 프리스탠딩 반도체 나노선 성장 및 패턴제어
3) 광전극에 적합한 N-형 반도체 물질의 나노구조 합성
4) 효율적인 고성능 광전극 개발과 광전소자로의 적용에 대한 연구를 수행하였다.
연구결과
유·무기 혼합 태양전지, 염료감응형 태양전지, 광화학태양전지 등의 광전소자에서 광대역의 빛을 흡수하며 빠른 전하전달 및 효과적인 계면간의 접촉을 만족하는 이상적인 광전극의 확립 및 광전소자의 광전변환 효율을 향상시키기 위하여, 본 연구에서는 간편하면서 효과적으로 패턴성장된 프리스탠딩 반도체 나노선을 얻는 방법과 수용액을 통한 1차원 나노구조를 가지는 다양한 물질의 제작 방법을 제안하였다.
특히, 접촉-프린팅기술을 활용하여 금속 촉매 나노닷을 기판위에 손쉽게 나노스케일로 형성시킬수 있으며 이렇게 기판위에 패턴제어 및 프린팅된 나노닷 촉매를 통해 선택적으로 반도체 나노선의 지름, 간격, 밀도등을 효과적으로 제어하여 본 연구과제의 최종목표에 도달하고자 하였다. 본 연구과제의 세부연구내용으로,
1) 접촉-프린팅기술을 활용한 금속 촉매 나노닷의 패턴 제어 및 프린팅기술 확립: 접촉-프린팅기술의 핵심인 나노규격의 스탬프 크기를 조절하고, 이러한 스탬프를 이용하여 금속 촉매 나노닷의 지름을 30-80nm와 간격을 10-200nm의 범위로 패턴 제어하고 이를 프린팅 하였다.
2) 프린팅된 금속 촉매 나노닷을 활용한 프리스탠딩 반도체 나노선 성장 및 패턴제어: 확립된 1차원 나노구조 합성법을 통해 프린팅된 금속나노닷을 촉매로 사용하여 선택적 위치에 패턴된 프리스탠딩 반도체 나노선을 성장시켰으며, 이렇게 제어된 금속 촉매 나노닷의 지름과 간격에 일치되는 지름·간격·밀도 등으로 반도체 나노선을 제조하고 패턴제어하는 기술을 확립하였다.
3) 효과적인 합성방법으로 광전극에 적합한 n-type 반도체 물질과 구조를 제작: 높은 전도성 및 낮은 면저항 등의 우수한 전기적 특성과, 높은 광투과율(전하전달층 적용시)과 높은 광흡수율(흡수층 적용시) 등의 우수한 광학적 특성을 확보하기 위해 나노구조가 효과적으로 제어된 반도체 물질의 광전극을 구현하고 이를 최적화하였다.
4) 고성능 반도체 나노선 광전극의 광전소자 적용: 프리스탠딩 반도체 나노선의 지름·간격·밀도·길이 등의 제어 및 다양한 방법을 통해 구현된 고성능 광전극의 우수한 전기적, 광학적 특성을 활용하여 제작된 광전극의 특성에 맞는 광전소자의 나노전극으로 응용 적용하였고 기존대비 약 35%이상의 광변환효율을 향상시켰다.
연구결과의 활용계획
본 연구과제는 고효율의 광전소자를 위하여, 프린팅기술을 활용해 촉매 나노입자의 성장기판 위 제어기술을 확보하고 이러한 촉매 나노닷 위에 성장된 프리스탠딩 반도체 나노선의 패턴제어를 통해서 고성능 광전극 구현을 목표로 하였다. 따라서 본 연구과제를 통해 구현된 고성능의 광전극은 다양한 광전소자에 적용할 수 있어 활용도와 응용성이 매우 높다. 예를 들면, 전형적인 액상형태의 전해질을 사용하는 광전소자인 광화학태양전지 등에는 효율적인 광흡수 및 전하수송을 위한 광전극으로 활용할 수 있으며, 정밀하게 제어된 반도체 나노선의 지름, 간격, 밀도, 길이등은 광활성 유기물의 침투를 최적화 할 수 있어 유기물을 이용한 광전지의 전자전달층으로 응용 또한 가능하다. 또한 본 연구과제는 아직까지 100nm 미만에서는 시도된 바 없는 촉매 나노닷의 접촉-프린팅기술을 확보하여 촉매를 활용한 반도체 나노선의 수직배향 성장기술 등을 발전시킬 수 있어 향후 다양한 나노구조물을 효과적으로 제어할 수 있는 차세대 나노기술(NT)로 활용할 수 있다.

Abstract ▼

Purpose&contents
This research proposal has the final goal to enhance photoconversion efficiency of photovoltaic cells via fabrication of free-standing and patterned semiconductor nanowires that are able to be easily controlled by a novel printing platform for patterning of catalyst nanodots on s

Purpose&contents
This research proposal has the final goal to enhance photoconversion efficiency of photovoltaic cells via fabrication of free-standing and patterned semiconductor nanowires that are able to be easily controlled by a novel printing platform for patterning of catalyst nanodots on substrates. To reach to this goal, we will carry out and develop several sub-techniques:
1) Printing platform of catalyst nanodots patterned by contact-printing method
2) Fabrication and control of free-standing semiconductor nanowires over the catalyst nanodots
3) Optimization of photoelectrode fashioned of the free-standing semiconductor nanowires
4) Application of the free-standing semiconductor nanowires to actual photovoltaic cells.
Result
For this research proposal, which is able to control and grow in pattern of semiconductor nanowires, we will develop a new technique for controlling the diameter, distance, and population of free-standing semiconductor nanowires over catalyst nanodots that are controlled and nicely patterned by using a novel printing platform for direct contact-printing of catalyst nanodots on substrates. Following studies will be performed:
1) Printing platform of catalyst nanodots patterned by contact-printing method Nano-sized stamp is developed, and catalyst nanodots are printed over substrates by using the stamp with diameters from 30 to 200 nm and interval from 10 to 200 nm.
2) Fabrication and control of free-standing semiconductor nanowires over the catalyst nanodots
A number of free-standing semiconductor nanowires are grown selectively over the printed catalyst nanodots. The diameter, distance, and population of free-standing semiconductor nanowires are readily controlled according to the patterns of the printed metal catalyst nanodots.
3) Optimization of photoelectrode fashioned of the free-standing semiconductor nanowires For highly enhanced photoelecric properties, the free-standing semiconductor nanowires, that are controlled by their diameter, distance, population and length(5nm-50μm), will be exploited for high electrical conductivity, low sheet resistance, high transmittance, and high absorption for high performance photoelectrodes.
4) Application of the free-standing semiconductor nanowires to actual photovoltaic cells Depending on the characteristics of photoelectrodes fashioned of controlled free-standing semiconductor nanowires, they will be applied to photovoltiac cells such as organic solar cells, hybrid solar cells, photoelectrochemical cells, and dye-sensitized solar cells. Highly improved photoconversion efficiency by at least 50% will be demonstrated as compared to the previous reports.
Expected Contribution
The high photoelecric properties to enhance photoconversion efficiency can be obtained from controlled free-standing semiconductor nanowires grown by the printed catalyst nanodots. The free-standing semiconductor nanowires can provide efficient photo-absorption ability and outstanding charge transport features for photovoltaic cells. Furthermore, our technologies of contact-printing of nanoscale patterned nanodots and growth of semiconductor nanowires will be of great contribution of nanotechnology to control various nanostructures.

목차 Contents

• 핵심연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
• 목 차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 22
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 26
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 29
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 30
• 8. 참고문헌 ... 31
• 9. 연구성과 ... 33
• 10. 기타사항 ... 41
• 끝페이지 ... 58