초록 ▼

□ 연구개요
[최종목표]
웨어러블 디바이스에 응용(집적) 가능한 고효율 및 고내구성의 스트레처블 유기태양전지 개발
○ 고분자 태양전지는 가볍고 우수한 유연성으로 인해 신체에 부착이 가능한 웨어러블용 태양전지로 활용을 기대하고 있는데, 높은 기술적 장벽으로 적용되지 못하고 있다. 웨어러블 디바이스는 실제 구동환경에서 유연함 뿐만 아니라 늘어남, 구겨짐 등 다양한 변형 상태에서 구동되어야 하며 단순히 유연한 플렉서블 태양전지 연구를 넘어서 차별화된 차세대 스트레처블 유기태양전지의 개발이 요구된다.
○ 따라서, 본

□ 연구개요
[최종목표]
웨어러블 디바이스에 응용(집적) 가능한 고효율 및 고내구성의 스트레처블 유기태양전지 개발
○ 고분자 태양전지는 가볍고 우수한 유연성으로 인해 신체에 부착이 가능한 웨어러블용 태양전지로 활용을 기대하고 있는데, 높은 기술적 장벽으로 적용되지 못하고 있다. 웨어러블 디바이스는 실제 구동환경에서 유연함 뿐만 아니라 늘어남, 구겨짐 등 다양한 변형 상태에서 구동되어야 하며 단순히 유연한 플렉서블 태양전지 연구를 넘어서 차별화된 차세대 스트레처블 유기태양전지의 개발이 요구된다.
○ 따라서, 본 연구팀은 선행연구에서 개발한 고효율 및 우수한 기계적 안정성을 갖는 전-고분자 광활성층을 스트레처블 유기태양전지에 적용하고, 신축성을 갖는 소자구조를 개발하여 기존의 기술적 한계를 극복한 세계 최고수준의 고효율 및 고신장율을 갖는 착용형 스트레처블 고분자 태양전지 개발을 목표로 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
[주요 세부 연구 목표]
○ 고분자 태양전지 효율 15% 이상 → 17.0% 광전변환효율 확보 (고분자 태양전지 분야 국내 최고수준의 효율) – 연구내용 : 플렉서블한 신규 고분자 도너 개발 및 도입을 통한 광활성층의 기계적 내구성 및 효율 동시 향상 (Energy Environ. Sci. 2021, 14, 4067)
○ 태양전지 기계적 강도: Cohesive energy 5 J/m² 이상 → 5.99 J/m² 확보 – 연구내용 : 고분자량의 PBDB-T:N2200(150k) 전-고분자 블렌드 박막을 활용하여, 높은 사슭얽힘 유도 (JACS Au, 2021, 1, 612)
○ 스트레처블 소자 초기효율: PCE 11% 이상 → 11.2% 확보 (신축성 태양전지 분야 세계 최고수준의 효율) – 연구내용: 고효율 PM6:Y7 단분자 기반 광활성층 소재 도입 및 TPU 기반의 신축성 기판/EGaIn 신축성 전극을 접목한 고효율 신축성 태양전지 개발 (ACS Energy Lett. 2021, 6, 2512)
○ 신장율 30%시 효율감소 5%이내 → 5%이내 확보 (초기효율대비 95% 유지) - 연구내용 : PBDB-T:N2200 전-고분자 블렌드 박막을 활용하여, N2200 고분자 억셉터의 높은 분자량 (159k)과 낮은 분자량(43k)을 비교하였음. 159k의 높은 분자량의 고분자 억셉터 블렌드에서 30% 인장시에도 우수한 효율 유지 결과 확인
○ 신장율 20%에서 cycle 1,000회 후 효율감소 20%이내 → 15%이내 확보 (초기효율대비 85% 유지) - 연구내용 : PBDB-T:N2200(150k) 전-고분자 블렌드 박막의 강한 사슬얽힘현상을 활용하여 20% 인장률에서 반복-인장 실험 결과 우수한 효율 유지결과 확인

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
[연구개발의 중요성 및 기대효과]
○ 본 연구 개발은 스트레처블 유기태양전지의 요소 기술인 유연기판, 신장 가능한 투명전극, 고효율 & 고안정성 광활성층, 스트레처블 상대 전극 등 다양한 요소 기술 개발을 포함하므로 다양한 소재 분야의 기술 개발 및 국산화에 기여할 수 있을 것으로 예상
○ 특히, 고분자 기반 광활성층 박막에 대한 기계적 내구성을 다각도로 평가 및 분석하고, 신축시 박막의 크랙 발생과 진전/파단 메카니즘을 상세히 규명하여 보고하였음. 이는 향후 개발될 다양한 웨어러블 디바이스의 내구성 평가에 매우 중요한 요소임.
○ 더불어, 신축성이 있는 유연기판을 활용하여 실제 스트레칭이 가능한 유기태양전지 소자제작기술을 개발하여 원천소재/소자 제작기술을 확보하였음
○ 해당 요소기술들은 본 연구의 목표인 스트레처블 유기태양전지뿐만 아니라 차세대 핵심기술로 평가받는 스트레처블 디바이스 전반에 적용될 수 있는 범용 기술이므로, 본 과제 연구를 통하여 스트레처블 디바이스 기술의 지적 재산권 선점, 표준화 선도 등에 기여할 수 있을 것으로 예상함

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구의 개요 및 필요성 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• A. 고효율 및 고신축성 유기태양전지 개발 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 13
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 13
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 3) 목표 달성 수준 ... 13
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 참고문헌 ... 14
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 24
• 끝페이지 ... 39