초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
반도체이면서 전하 전달자의 종류 조절, 전하 농도 조절, 조성 조절, 표면 기능성 부여, 촉매 활용 가능성으로 창조적인 소재 설계가 가능한 전이금속 디칼코게나이드 2차원 물질은 기판과의 접촉면적이 양자점 보다 크며, 적층이 용이한 2차원 물질이면서 다양한 원소의 조합으로 n형과 p형의 반도체를 구현할 수 있으며, 에너지 준위 조절이 쉬워 밴드갭 조절이 가능하면서 크기가 작아지면 quantum effect가 발생하여 양자점과 유사한 성질을 나타냄. 본 연구에서는 이러한 전이금속 디칼코게나이드 이차원 물질

□ 연구의 목적 및 내용
반도체이면서 전하 전달자의 종류 조절, 전하 농도 조절, 조성 조절, 표면 기능성 부여, 촉매 활용 가능성으로 창조적인 소재 설계가 가능한 전이금속 디칼코게나이드 2차원 물질은 기판과의 접촉면적이 양자점 보다 크며, 적층이 용이한 2차원 물질이면서 다양한 원소의 조합으로 n형과 p형의 반도체를 구현할 수 있으며, 에너지 준위 조절이 쉬워 밴드갭 조절이 가능하면서 크기가 작아지면 quantum effect가 발생하여 양자점과 유사한 성질을 나타냄. 본 연구에서는 이러한 전이금속 디칼코게나이드 이차원 물질을 RGB 색상으로 energy conversion이 가능한 조약돌 모양의 sheet을 합성하여 이를 발광 다이오드의 발광층으로 사용하여 새로운 형태의 양자 페블 발광 다이오드(quantum pebble light emitting diode; QPLED)를 제작하는 것이 목표임.
본 과제의 목표는 2차원 전이금속 디칼코게나이드 양자 페블 합성 및 이를 이용한 광전자 소자 제작에 있음. 이를 위하여 소재합성, 박막 소자 제작, 그리고 측정/분석으로 나누어 진행될 예정임. 2차원 나노 sheet 합성, 양자 페블 합성, 양자 페블을 이용한 LED 소자 제작, core-shell 구조 양자 페블 합성, 그리고 양자 페블 기반 태양 전지 제작이 필요하며, 총 3개년에 걸쳐 본 실험을 진행하였음.

□ 연구결과
▶ 1차년도에는 전이금속 디칼코제나이드 나노 sheet 합성 및 blue용 양자 페블을 합성하여 양자 페블 LED에 적용시킴. UV/Vis 광 투과도, 전기 전도도, 일함수, 밴드갭, 안정성 및 결정형 분석이 병렬식으로 진행하였음.
▶ 2차년도에는 green 및 red 용 양자 페블을 합성하여 green, red 양자 페블 LED에 적용시켰다. 결정 구조 분석, energy conversion 효과 분석, 그리고 전계 발광 효율 분석이 병렬식으로 진행하였음.
▶ 3차년도에는 전이금속 디칼코제나이드 core/shell 구조 양자 페블을 합성하여 양자 페블 적용 유기 태양 전지 및 페로브스카이트 태양전지에 적용시킴. 이를 위해서 core/shell 구조 분석, scanning transmission x-ray absorption microscopy 분석, 그리고 광전 변환 효율 분석이 체계적으로 진행하였음.

□ 연구결과의 활용계획
양자점을 사용한 차세대 태양전지는 아직 기존의 태양전지를 대체하여 상용화하기에는 낮은 광전 변환 효율을 갖고 있지만, 그 연구가 본격적으로 이루어진 것이 비교적 최근인 것에 비해서는 그 발전 속도가 빠른 것이라 할 수 있음. 양자 페블을 사용한 태양전지는 양자점 태양 전지의 장점-① 대량 생산이 가능 ② 원하는 파장대의 빛을 받아 전자-정공쌍을 형성시킬 수 있으며 안정한 에너지 준위를 따라 전자와 정공이 빠르게 이동할 수 있으므로 보다 효과적인 전하 발생 및 전이를 가짐 ③ 물질 교환 및 크기 조절을 통해 에너지 준위의 설계가 가능 ④양자 페블은 표면 치환을 통하여 다양한 용액에 분산시킬 수 있어 적용 및 응용범위가 넓음-을 가지며 기존 양자점의 주성분인 Cd, Pb 계열의 중금속을 사용하지 않아 친환경적이고 접촉면적과 흡광면적이 넓다는 추가적인 장점이 있음. 이러한 양자 페블을 태양 전지에 적용시킨다면 안정성과 효율을 높이고 제작단가는 낮춘 친환경 태양 전지 제작으로 미래 신재생 에너지의 선두주자가 될 수 있을 뿐만 아닌 중금속으로부터 자유로운 친환경 양자 페블로써 여러 분야에 응용될 수 있는 첫 걸음이 될 것임.

(출처 : 한글요약문 5p)

Abstract ▼

□ Purpose& contents
The purpose of this project is the synthesis of quantum pebbles (dots) based on transition metal dichalcogenide and its application to the optoelectronic devices such as light-emitting diodes, organic photovoltaic cells and perovskite solar cells. For this purpose, this projec

□ Purpose& contents
The purpose of this project is the synthesis of quantum pebbles (dots) based on transition metal dichalcogenide and its application to the optoelectronic devices such as light-emitting diodes, organic photovoltaic cells and perovskite solar cells. For this purpose, this project is composed of three parts including synthesis of materials, device fabrication, and measurement.We demonstrate that GO, MoS₂, and WS₂ can be used as the HELs in the PSCs instead of PEDOT:PSS. The GO layer was synthesized through the Hummers' method and the transition metal dichalcogenide (TMD) layers such as MoS₂ and WS2 layers were obtained by the chemical vapor deposition (CVD) method. It is shown that the perovskite structure was well-formed on the GO and TMD layers. Therefore, the performance of the PSCs based on the GO and TMD layers was comparable with that of the PEDOT:PSS-based ones. From these results, the working principle of the GO and TMD layers as the HELs in the PSCs is investigated.

□ Result
- Atomically thin two-dimensional materials such as MoS₂, WS₂, and graphene oxide (GO) are used as hole extraction layers (HEL) in organolead halide perovskites solar cells (PSCs) instead of poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) HEL.
- MoS₂ and WS₂ layers with a polycrystalline structure were synthesized by a chemical deposition method using a uniformly spin-coated (NH₄)MoS₄ and (NH₄)WS₄ precursor solution. GO was synthesized by the oxidation of natural graphite powder using Hummers' method.
- The work functions of MoS₂, WS₂, and GO are measured to be 5.0, 4.95, and 5.1 eV, respectively. The X-ray diffraction spectrum indicated that the synthesized perovskite material is CH₃NH₃PbI_3-xCl_x. The PSCs with the p-n junction structure were fabricated based on the CH₃NH₃PbI_3-xCl_x perovskite layer.
- The power conversion efficiencies of the MoS₂, WS₂, and GO-based PSCs were 9.53%, 8.02%, and 9.62%, respectively, which are comparable to those obtained from PEDOT:PSS-based devices (9.93%).

□ Expected Contribution
- Two-dimensional materials such as MoS₂, WS₂, and GO can be promising candidates for the formation of HELs in the PSCs.
- This study confirms that the stabilities of the devices in air can be prolonged by using UVO-treated TMDs as hole injection layers in organic light emitting diodes (OLEDs). These results demonstrate the great potential of liquid-exfoliated TMD nanosheets for use as HILs in OLEDs.
- OLEDs and OPV cells based on TMD showed two to six times longer stability in air compared with PEDOT:PSS based devices. These results suggest that UV-O₃-surface-treated TMD could be a promising candidate for a charge transport layer in optoelectronic devices.

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 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 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 28
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 32
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 33
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 34
• 8. 참고문헌 ... 35
• 9. 연구성과 ... 36
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 60
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 60
• 12. 기타사항 ... 63
• 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 64
• 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 81
• 끝페이지 ... 90