초록 ▼

연구의 목적 및 내용
ITO 대체 투명전극 기반의 유기/하이브리드 태양전지를 용액공정만을 사용하여 제작하고 에너지 변환 효율을 높이는 것이 이 연구의 최종 목표이다. 도전성 일차원 나노소재 망상 구조가 특징인 투명 박막을 양·음극에 모두 사용 가능하도록 만들 것이며, 이를 기반으로 반투명 유기 플라스틱 태양전지를 제작할 것이다. 또한 근적외선 대역 광자를 효율적으로 전환시키는 하이브리드 태양전지를 개발하고 이를 가시광 대역 특성이 우수한 유기 태양전지와 결합하여 광대역 태양광 스펙트럼을 이용하는 고효율 태양전지를 만들고자 한다

연구의 목적 및 내용
ITO 대체 투명전극 기반의 유기/하이브리드 태양전지를 용액공정만을 사용하여 제작하고 에너지 변환 효율을 높이는 것이 이 연구의 최종 목표이다. 도전성 일차원 나노소재 망상 구조가 특징인 투명 박막을 양·음극에 모두 사용 가능하도록 만들 것이며, 이를 기반으로 반투명 유기 플라스틱 태양전지를 제작할 것이다. 또한 근적외선 대역 광자를 효율적으로 전환시키는 하이브리드 태양전지를 개발하고 이를 가시광 대역 특성이 우수한 유기 태양전지와 결합하여 광대역 태양광 스펙트럼을 이용하는 고효율 태양전지를 만들고자 한다. 특히 효율의 저하 없이 기판 바로 위의 전극으로부터 맨 위의 전극까지 소자 전체를 용액공정만을 이용하여 제작하기 위하여 각 층의 소재와 형성 공정의 선택, 계면 엔지니어링, 소자 단위의 전기적·광학적 특성 최적화 연구를 체계적으로 수행할 것이다. 에너지 변환 효율을 높이기 위한 방안의 하나로 광 가둠/포획을 위한 광 구조를 설계·제작하여 소자에 적용하고자 하며, 또한 금속 나노입자의 표면 플라즈마 효과를 소자에 도입할 것이다.

연구결과
(1)ITO대체 전극인 탄소나노튜브 전극과 은 나노와이어 전극을 최적화하여 전극 성능지수 37과 400을 각각 달성하고, 이를 이용하여 ITO기반 소자 대비 60%의 효율을 가지는 투명전극 소자 제작에 성공 (2)P3HT 기반의 유기태양전지에 P3HT 나노와이어를 적용하여 변환효율 5.0%를 달성함. 또한 근적외선 대역 흡수를 가지는 Si-PCPDTBT와 P3HT:ICBA를 섞어 만든 ternary 유기태양전지를 제작하여 변환효율1.7%를 달성 (3) 탄소나노튜브-백금 나노입자, 산화그래핀-금 나노입자 복합재료를 마이크로파를 이용하여 제작하고 금속산화막을 마이크로파를 이용하여 저온열처리하는 공정을 개발 (4)다양한 크기의 폴리스티렌 구형 입자를 자기조립공정을 통하여 규칙적으로 배열하는 막을 형성하고, 이 박막을 ternary 유기태양전지에 적용하여 근적외선 흡수가 향상되는 것을 확인(5)산화그래핀을 이용하여 은 나노와이어의 표면을 개질하고 PEI를 도입하여 전자수송층의 유효일함수를 제어하였고 이를 통하여 은 나노와이어를 양극으로 사용하는 유기태양전지를 제작하여 변환효율 4.3%를 달성 (6)Si-PCPDTBT:PCBM 기반 소자와 P3HT:PCBM 기반 소자를 직렬로 연결한 tandem소자를 제작하여, 개방전압 1.05V, 변환효율 3%를 달성. Cu:NiOx를 정공주입층으로 사용한 perovskite 소자 변환효율 14%달성 (7)금 나노입자가 분산된 표면개질층을 유기태양전지에 적용하여 변환효율 3.4%를 달성 (8)용액공정만을 이용하여 P3HT:PCBM 반투명 유기태양전지를 제작하고 1.5%의 변환효율을 달성 (9)저밴드갭 PBDB-T:ITIC 유기태양전지를 ITO기판과 은 나노와 이어 기판 위에 제작하고 각각 7.45%와 5.55%의 변환효율을 달성 (10)SWCNT-Si하이브리드 소자와 PH1000-Si 하이브리드 소자를 제작하여 각각 10.9%, 11.6% 변환효율을 달성. 유효 면적 0.64cm2의 대면적 소자를 제작하여 변환효율 6.8% 달성 (11)실크 단백질을 이용하여 은 나노와이어 기판을 제작하고 그 위에 유기태양전지를 제작하여 변환효율 4.98%달성

연구결과의 활용계획
기 확보된 탄소나노튜브, 은나노와이어, 전도성 폴리머(PEDOT:PSS)를 이용한 ITO 대체 전극 제작 기술, 졸-겔법 및 나노입자법으로 제작한 전이금속 산화물 박막 제조 기술을 바탕으로 용액공정만으로 반투명 태양전지를 제작할 것이다. 문제가 되었던 상부 투명전극을 용액공정 없이 전사하여 미진했던 반투명 태양전지 제작을 마무리 하고 이를 논문으로 정리하여 발표할 계획이다. 또한 태양전지 제작에 핵심이 되는 공정기술을 특허출원한다. 더 나아가 은 나노와이어 투명전극을 스트레처블 소프트 기판에 제작하여 단순히 구부러지거나 휘는 태양전지가 아닌 스트레처블 기판에 고효율 태양전지를 제작하는데 축적된 know-how를 바탕으로 제작할 계획이다. 또한 유기발광소자에 적용하여 마찬가지로 플렉서블 ITO 대체 전극 기반 소자를 제작할 계획이다. 또한 상부전극을 투명전극으로 대체하여 반투명 유기 디스플레이를 제작할 계획이다.

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose & contents
Development of fully solution-processed efficient ITO-free organic solar cell (OSC) is our goal. The new transparent conducting electrodes (TCEs) consisting of 1D nanomaterials will be modified to be used as both anode and cathode. Furthermore, we plan to utilize these TCEs to

Purpose & contents
Development of fully solution-processed efficient ITO-free organic solar cell (OSC) is our goal. The new transparent conducting electrodes (TCEs) consisting of 1D nanomaterials will be modified to be used as both anode and cathode. Furthermore, we plan to utilize these TCEs to fabricate semi-transparent plastic OSCs. Hybrid solar cells with a good near-IR efficiency will be developed and utilized, too, to make efficient tandem cells in combination with photonic and surface plasmonic structures.

Result
(1)We succeeded in fabricating transparent electrode elements with 60% efficiency compared to ITO based devices by achieving electrode performance indexes 37 and 400 respectively by optimizing carbon nanotube electrode and silver nanowire electrode (2)P3HT nanowire is applied to P3HT-based organic solar cell to achieve conversion efficiency of 5.0%. In addition, 1.7% conversion efficiency was achieved by fabricating a ternary organic solar cell made by mixing Si-PCPDTBT and P3HT: ICBA with near-infrared band absorption(3)Carbon nanotube-platinum nanoparticles, oxidized graphene-gold nanoparticle composites were fabricated using microwave, and the process of low temperature heat treatment using metal oxide film was developed (4)A spherical polystyrene spherical particles of various sizes are regularly arranged through a self-assembly process, and the thin film is applied to a ternary organic solar cell to confirm that the absorption of near infrared rays is improved(5)The surface of the silver nanowire was modified using oxidized graphene, and the effective function of the electron transport layer was controlled by introducing PEI. Through this, an organic solar cell using silver nanowire as an anode was fabricated to achieve a conversion efficiency of 4.3%(6)Si-PCPDTBT: A tandem device connected in series with a PCBM-based device and a P3HT: PCBM-based device was fabricated to achieve an open-circuit voltage of 1.05V and a conversion efficiency of 3%. 14% conversion efficiency of perovskite element using Cu:NiOx as a hole injection layer(7)Conversion efficiency of 3.4% was achieved by applying surface modified layer containing gold nanoparticles to organic solar cell(8)P3HT: PCBM translucent organic solar cell was fabricated using only solution process and achieved conversion efficiency of 1.5%.(9)Low-band gap PBDB-T: ITIC Organic solar cells were fabricated on ITO and silver nanowire substrates, achieving conversion efficiencies of 7.45% and 5.55%, respectively(10)SWCNT-Si hybrid devices and PH1000-Si hybrid devices were fabricated to achieve conversion efficiencies of 10.9% and 11.6%, respectively. Achieved conversion efficiency of 6.8% by fabricating a large area device with an effective area of 0.64cm2(11)Silk proteins were used to fabricate silver nanowire substrates, and organic solar cells were fabricated on them to achieve a conversion efficiency of 4.98%

Expected Contribution
The uppermost transparent electrode, which has become a problem, will be performed by dry-transfer technique without solution-process to finish the production of semi-transparent solar cell, which will be summarized in paper. We also apply for a patent for the process technology that is key to solar cell fabrication. Furthermore, we plan to fabricate transparent silver nanowire electrodes on the stretchable soft substrate, based on know-how accumulated in manufacturing highly efficient solar cells. In addition, it is planned to fabricate a flexible ITO replacement electrode-based device similarly to the organic light emitting device. The uppermost electrode is replaced with a transparent electrode to produce a translucent organic display

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 61
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 65
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 66
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 68
• 8. 참고문헌 ... 69
• 9. 연구성과 ... 71
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 73
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 73
• 12. 기타사항 ... 74
• 별첨1 : 대표연구실적 ... 75
• 별첨2 : 세부 목표 관련 증빙 ... 90
• 끝페이지 ... 99