Organic photovoltaics (OPVs) are renewable energy conversion devices with distinct potential advantages, such as solution processibility, mechanical flexibility and light-weight. Despite promising progress in device performance, power conversion efficiency (PCE) has to be enhanced for the mass production and commercialization. One straightforward way for the performance enhancement in OPVs is the incorporation of nanomaterials. In this study, I have employed two kinds of nanomaterials into OPVs to enhance the performance of devices. Firstly, nanostructured materials of plasmonic nanoparticles have been introduced to OPVs with expectations for plasmonic effects. By developing triangular-shaped clusters of plasmonic nanoparticles, it can result in strong enhancement of electromagnetic fields induced by near-field plasmonic coupling effects. Direct incorporation of gold nanoparticle clusters (Au NPCs) or Au NPC/graphene oxide nanocomposites (Au NPC-GOs) at the bottom of organic active layer improved the PCE over 10 %. The solution processibility of metal NP assemblies is compatible to conventional low-cost OPV process. Moreover, this approach can be further exploited by tuning the shape, dimension and chemical composition of assemblies, the size of constituting NPs, and the interparticle gaps. Furthermore, I have synthesized carbon nanotube (CNT)/polymer nanocomposites to be employed in OPVs as an additive for enhancing charge transport in the organic active layer. To improve the dispersibility of CNTs in the organic active layer, N-doped CNTs wrapped with end-functionalized conductive polymer (P3CPT) were synthesized by simple mixing in the organic solvent. By incorporating N-CNT/P3CPT nanocomposites into the organic active layer, short-circuit current of OPV was enhanced remarkably owing to superior electrical properties of CNTs. We anticipate that this novel concept of employing nanostructured materials can be potentially useful for various organic optoelectronic devices with good processibility and high efficiency.
유기 태양전지는 뛰어난 공정성, 가벼운 무게, 기계적 유연성 등의 장점으로 인하여 차세대 에너지 소자로 각광받고 있지만, 상업화를 위한 고효율 소자 제작에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 고효율 유기 태양전지 제작을 위해 금속 및 탄소 나노소재를 도입하고자 하였다. 먼저 금속입자 나노구조체는 단일 금속 나노입자의 플라즈모닉 효과를 극대화시킬 수 있는 나노소재로, 단일 입자 사이의 플라즈몬-커플링 효과에 의해 단일 입자로 존재할 때보다 훨씬 강한 전기장을 주변에 생성하게 된다. 본 연구에서는 금 나노입자 클러스터 또는 금 나노입자 클러스터/그래핀 산화물 나노복합재를 유기 태양전지의 활성층과 정공수송층 사이에 도입하여 활성층의 광 흡수율과 엑시톤 생성 및 분리 능력 향상을 확인하였으며, 결과적으로 광변환 효율을 10%까지 향상시킬 수 있었다. 다음으로 탄소나노튜브/전도성 고분자 나노복합재를 합성하여 유기 태양전지 활성층에 도입하는 연구를 진행하였다. 질소 도핑된 탄소나노튜브 표면을 고분자로 감싸서 활성층에서의 분산성을 개선할 수 있으며, 탄소나노튜브와 고분자의 복합적 효과로 인한 전하 이동도 및 광흡수 향상으로부터 향상된 광변환 효율을 확인하였다. 이와 같은 나노소재 도입 연구는 유기 소자에 다양한 방면으로 적용 가능할 것이다.
