• Journal of Adhesion and Interface
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• v.25 no.1
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• pp.143-151
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• 2024

Organic photovoltaics (OPVs) have shown great potential as a new generation of energy harvesters because they possess many unique properties, including mechanical flexibility, lightweight, semi-transparency, and low-fabrication costs. Recent advancements in molecular structure and device engineering have led to achieving power conversion efficiency (PCE) exceeding 19%. However, these highly efficient active layer materials have been hampered in their commercialization by complex synthesis steps that result in high manufacturing costs. To address this issue, research is actively underway on low-cost active layer materials with simple structures. This paper introduces such cost-effective active layer materials and strategies for their synthesis.

• Prospectives of Industrial Chemistry
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• v.24 no.5
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• pp.15-29
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• 2021

최근 유기태양전지 분야의 큰 진보는 비풀러렌 전자수용체 소재의 등장에 의해 달성되었다. 비풀러렌 기반 유기광활성층은 기존 풀러렌 기반 소자의 내재적 한계로 지적되던 높은 에너지 손실을 극복하고 동시에 소재의 흡광대역 확장을 통한 광전류밀도 증가로 유기태양전지 성능을 지속적으로 개선하고 있다. 더불어 비풀러렌 소재는 화학 구조의 개질 용이성으로 밴드갭 자유 제어가 가능하므로, 광활성층의 흡광 대역을 정밀하게 제어하면 반투명 태양전지, 실내 저조도 태양전지, 파장선택적 광검출기, 소재융합형 소자 등 다양한 광전자소자 응용이 가능하여 주목받고 있다. 본 기고문에서는 유기태양전지 광활성층에 활용되는 비풀러렌 소재의 최신 연구 동향과 전망을 다루고자 한다.

• Proceedings of the KIEE Conference
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• 2008.07a
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• pp.1154-1155
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• 2008

본 연구에서는 전자 주개 물질(electron donor)인 regioregular poly(3-hexylthiophene)(P3HT)와 전자 받개 물질(electron acceptor)인 phenyl-$C_{61}$-butyric acid methyl ester (PCBM)을 혼합한 복합 박막 구조(Bulk Heterojunction)를 이용하여 태양전지를 제작하고 광활성층(Active layer)의 두께를 변화시키면서 광학적 특성 및 전기적 특성에 대해 분석하였다. 광활성층의 두께가 두꺼워 질수록 광흡수율이 높기 때문에 태양전지의 효율이 증가하여 200nm정도의 두께에서 가장 좋은 특성을 보였으며, 그 이상의 두께에서는 광흡수율이 높더라도 직렬저항(Series resistance)의 증가로 개방 회로 전압이 감소하는 것을 볼 수 있었으며, 최적화된 광활성층의 두께(190nm)에서 개방 회로 전압($V_{oc}$)은 0.6V, 단락 회로 전류($J_{sc}$)는 8.29mA, Fill factor(FF)는 0.59, 전력변환효율($\eta$)은 2.94%였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.454-454
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• 2013

태양전지는 화석연료의 고갈로 인해 새로운 대체 에너지원으로 관심을 받고 있다. 유기태양전지는 무기물 태양전지와 비교하여 제작 단가가 낮은 경제성과 다양한 기판을 사용할 수 있는 다양한 응용성을 가지고 있기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 실리콘 기반의 태양전지에 비해서 유기태양전지의 효율이 낮은 단점을 가지고 있기 때문에 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 광활성층에서 생성되는 전자-홀 쌍을 효율적으로 분리하여 손실되는 전하를 줄여서 효율을 높이는 방법이 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 초음파 처리 시간에 따라 나노구조를 가지는 고분자 광활성층의 표면거칠기가 변화하여 유기 태양전지의 전력변환 효율에 미치는 영향을 조사하였다. 전자주게 물질인 P3HT를 용매에 녹여서 스핀코팅 한 후 초음파 처리를 하여 나노 구조를 형성하였고, 초음파 처리 시간에 따라서 형성한 나노 구조의 구조적 및 광학적 특성 변화를 광류미네센스와 원자힘 현미경 측정으로 관찰하였다. 전류밀도-전압 측정 결과는 초음파 처리 시간을 최적화하면 P3HT 나노 입자의 크기가 가장 작게 형성되어 계면 면적을 가장 크게 증가시켜 전자-홀 쌍을 효율적으로 분리하여 전력변환 효율이 증가하는 것을 확인 하였다.

• Proceedings of the KIEE Conference
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• 2009.07a
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• pp.1068_1069
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• 2009

$TiO_2$의 계면적을 넓힘으로써 태양전지의 특성을 향상시키기 위해 정렬도가 높은 나노 기공 (nanopore, NP) 이산화티타늄 ($TiO_2$)을 이용하여 복합 태양전지를 제작하였다. Polymethyl methacrylate (PMMA)를 사용한 nanoimprinting lithography (NIL) 기술을 이용하여 NP $TiO_2$를 제작하였으며. 광활성층으로는 poly(3-hexylthiophene) (P3HT)와 [6,6]-phenyl $C_{61}$ butyric acid methyl ester (PCBM)을 사용하였다. NP $TiO_2$를 이용한 태양전지의 전력변환효율이 1.49%로 표면이 고른 소자의 효율인 1.18%에 비해 26% 가량 증가하였다. 이와 같은 효율 향상의 원인은 $TiO_2$와 광활성층의 계면이 증가되어 전하의 생성과 분리가 용이해졌기 때문인 것으로 사료된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.06a
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• pp.246-249
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• 2007

현재까지 $P3HT:C_{60}-PCBM$계는 고분자 유기 태양전지에서 가장 좋은 효율을 보여주고 있다. 그러나 보다 고효율의 소자 제작을 위해 신재료에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있으며, 본 연구에서는 $C_{60}-PCBM$ 대신 $C_{70}-PCBM$을 합성하여 소자를 제작하였다. $C_{70}-PCBM$은 $C_{60}-PCBM$에 비하여 가시광선 영역에서 상대적으로 높은 광흡수율을 보여 주었으며, 이것은 광전류의 향상을 가져왔다. 소자제작의 주요 변수로 $P3HT:C_{70}-PCBM$ 광활성층의 처리 조건, 즉, 용매, 조성비, 열처리 조건, 광활성층의 두께 등을 조절하였는데, buffer층(LiF 층) 등이 도입되지 않은 간단한 제작조건 하에서도 본 $C_{70}-PCBM$는 $C_{60}-PCBM$계에 버금가는 3.5% (AM 1.5G, 100 $mW/cm^{2}$ 조건) 이상의 효율을 나타내었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.317.1-317.1
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• 2013

유기 태양전지는 다른 무기계 태양전지에 비해 물질 자체의 쉬운 가공성과 유연한 특성으로 차세대 플렉시블 태양전지로 각광받고 있지만 상대적으로 짧은 수명으로 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 현재까지 알려진 유기 태양전지의 짧은 수명의 원인으로는 수분과 산소에 의한 광활성층의 화학적 열화 및 표면의 변화, 전극의 열화, 전자-전공 수송층의 흡습현상 등이 있다 [1]. 본 연구에서는 이러한 이론적인 열화 메커니즘에 기초하여 일정한 수분과 산소 분위기에서 각 단위층들이 열화되는 현상을 광학적, 화학적 분석을 통해 짧은 수명의 원인을 밝혀내고자 한다. 유기 태양전지의 가혹시험은 $85^{\circ}C$의 온도와 85%의 습도 조건에서 이뤄졌으며, 가혹시간에 따른 열화현상 비교를 위해 0, 50, 100, 250, 500 h 동안 시험을 진행하였다. C-O, C=O 결합 형성에 의한 광활성층의 ${\pi}$공액의 변형은 FT-IR(fourier transform infrared spectroscopy)과 XRD (X-ray diffraction) 측정을 통해 분석하였고 변화된 표면 형상은 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy) 측정을 통해 관찰하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.337.2-337.2
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• 2016

역 구조 유기태양전지는 가격이 저렴하고 우수한 경량성, 간단한 제조공정 그리고 휘어짐이 가능한 소자를 제작할 수 있는 것이 큰 장점이다. 또한, 광활성층과 전극 사이에 표면개질 물질을 도입하여 에너지장벽을 줄임으로써 소자 전반적인 전하수송을 증가시킬 수 있게 되었다. 나아가 용액공정과 저온 공정을 통해 유기 광전자소자의 roll-to-roll 대면적화 기술을 기반으로 가격대비 성능을 개선시켰다. 본 연구에서는 CdSe 또는 CdSe@ZnS 양자점을 표면개질 유기물질인 polyethylenimine ethoxylated (PEIE)에 정전기적 인력의 결합을 통한 양자점 단일층을 얻었고 이는 전기수송층, 광흡수층 그리고 표면플라즈몬 공명(Surface plasmon resornace)의 역할을 수행하게 되면서 태양전지 전반적인 성능 향상을 관찰 할 수 있었고 양자점 단일층으로 인해 20%가 증가된 에너지변환효율 얻었다. 또한 단일층으로 형성된 CdSe 또는 CdSe@ZnS 양자점 은 $F{\ddot{o}}rster$ resonance energy transfer (FRET) 메커니즘을 통해 PC60BM과 P3HT의 Photo luminescence 세기를 99% 감쇄시켰고, CdSe 양자점을 유기 광활성층인 PTB7:PC71BM에 적용하여 8.1%의 수치를 나타내었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.502-502
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• 2013

유기태양전지는 간단한 제작 공정과 저비용 제작이 가능하고 플렉서블 소자를 제작할 수 있는 장점을 가지고 있어서 많은 연구자들이 관심을 가지고 있다. 하지만 현재 유기태양전지의 효율은 낮기 때문에 실리콘 기반이나 화합물 기반의 태양전지에 비해서 효율이 낮은 단점을 가지고 있다. 유기태양전지의 효율을 높이기 위한 다양한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 특히 나노구조를 가지는 광활성층을 사용하여 제작된 고효율 유기태양전지에 대한 연구가 이루어지고 있다. 나노구조를 가지는 유기태양전지는 생성된 엑시톤을 분리시킬 수 있는 계면이 넓어지기 때문에 전하 분리 효율을 높아지게 되고, 고효율의 유기태양전지를 제작할 수 있게 된다. 또한, 넓은 광흡수 스펙트럼을 가지는 양자점을 활용하는 연구도 함께 진행되고 있다. 양자점을 사용하여 유기태양전지의 효율을 높이는 실험이 진행되고 있지만, 실제 효율을 높이는데 많은 어려움을 가지고 있다. 본 연구에서는 고분자점과 양자점이 결합한 나노복합체를 사용하여 요철 구조를 가진 광활성층을 사용한 유기태양전지를 제작하였다. 고분자점과 양자점이 결합한 나노복합체는 물질에 비해서 넓은 광흡수 영역을 가져서 생성된 엑시톤의 양을 늘리는 역할을 한다. 고분자점과 양자점이 결합한 나노복합체로 만든 요철 구조는 평면구조로 제작한 요철 구조에 비해서 계면에서 균일한 적층이 가능한 나노구조가 제작되기 때문에, 계면에서 일어나는 전하 손실을 줄일 수 있다. 고분자점과 양자점이 결합한 나노복합체로 제작된 요철 구조를 사용한 유기태양전지가 기본 소자에 비해서 상당한 효율 향상을 확인하였다. 양자점을 포함한 나노복합체로 제작된 유기 태양전지의 효율증진 메커니즘을 논한다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.06a
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• pp.457-458
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• 2008

본 연구에서는 PCBM([6，6]-Phenyl $C_{61}$ butric acid methyl ester)과 P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl (regiorandom))의 Donor, Acceptor 물질을 이용하여 스핀코팅법을 사용하여 PEDOT가 코팅된 ITO 유리기판에 스핀 코팅법을 사용하여 광활성층을 증착하였다. 이렇게 코팅된 유리기판에 열 증착법 사용하여 Al(cathode층)전극을 증착하여 유기태양전지를 제작하였다. 각각의 층에 대해서 SEM(전자주사현미경)을 이용하여 두께를 측정하였고 UV분광계를 이용하여 투과도를 측정하고 투과도를 이용하여 광학적 밴드갭을 계산하였다. ITO/PEDOT/ACTIVE AREA/Al 구조의 태양전지를 제작하여 광활성층의 두께와 Al의 두께에 따른 효율성을 측정하여 1% 이내의 효율을 보이는 태양전지를 제작하였다. PEDOT는 OLED에서 HTL층으로 사용되며 흘의 이동을 원활하게 해주는 역할을 한다.