• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제45회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.151-151
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• 2013

무기물 기반, Si-based 태양전지에 비해 가볍고 저렴하다는 관점에서 유기태양전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 유기태양전지는 Si-based 태양전지에 비해 그 효율이 낮다는 점이 문제로 제기되어 왔지만, 억셉터와 도너의 nanocomposite 구조인 bulk-heterojunction (BHJ) 구조가 개발이 되면서 유기물의 짧은 엑시톤(exciton) 거리를 극복할 수 있게 되어 그 효율이 비약적으로 증가되는 결과를 낳았다. 또한 넓은 범위의 파장을 흡수 할 수 있는 작은 band-gap을 갖는 물질이 개발됨으로써 유기 태양전지의 효율은 점차 증가하고 있다. 최근에는 독일 회사인 Heliatek에서 12%가 넘는 유기태양전지를 발표함으로써 유기태양전지가 Si-based 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 에너지 공급원으로의 가능성을 충분히 보였다. 이런 유기 태양전지는 하부 투명전극인 인듐주석산화물(ITO)/정공이동층(PEDOT:PSS)/광흡수층/전자이동층(LiF)/낮은 일함수를 갖는 상부전극인 Al 구조의 일반적인 구조; ITO/전자이동층/광흡수층/정공이동층/높은 일함수를 갖는 상부전극(Ag), 전하의 이동방향이 반대인 역구조 태양전지, 두 가지로 분류할 수 있다. 하지만 소자 안정성의 관점에서 일반적인 구조의 태양전지는 ITO/PEDOT:PSS 계면에서의 화학적 불안정성과, 낮을 일함수를 갖는 상부전극이 쉽게 산화되는 등의 문제가 있어 상부전극으로 높은 일함수를 갖는 전극을 사용하는 역구조 태양전지가 더 유리하다. 이러한 역구조 태양전지에서 효율을 높일 수 있는 요인 중 하나는 전자이동층에 있다. 광흡수층에서 형성되어 분리된 전자가 전극으로 이동하기위해서는 전자이동층을 거쳐야 한다. 하지만 이 전자이동층 내에서의 전자 이동속도가 느리다면, 즉 저항이 크다면 광흡수증과의 계면에서 Back electron trasnfer현상으로 재결합이 일어나게 되어 전극으로 도달하는 전자의 양이 줄어들게 되고, 이는 유기태양전지 효율을 낮추는 요인이 된다. 전자이동층 자체의 저항뿐만 아니라, 전자이동층의 표면 거칠기(morphology) 또한 유기 태양전지의 효율을 좌우하는 요인 중 하나이다. 광흡수층과 전자이동층의 계면에서 전자의 이동이 일어나는데, 전자이동층의 표면 거칠기가 크게되면 그 위에 박막으로 형성되는 광흡수층과의 계면저항이 증가하게 되고, 이는 광흡수층에서 전자이동층으로의 원활한 전자이동을 저해함으로써 소자 효율의 감소를 일으키게 된다. 따라서 우리는 전자이동층인 ZnO 박막의 스퍼터링 조건을 변화시킴으로써 ZnO 층의 두께에 따른 광투과도, 전기전도성 변화 및 유기태양전지의 효율변화와, 표면 거칠기에 따른 광변환 효율 변화를 관찰하고자 한다.

• 광학세계
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• 통권123호
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• pp.22-25
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• 2009

III-V족 화합물반도체 태양전지중 다접합 구조 태양전지와 집광형 태양전지는 제 3세대 태양전지로서 주목받고 있다. 현재 가장 간단하고 저렴한 원가를 갖는 구조가 프레넬 렌즈 1장을 사용한 구조로서 현재의 광학시설과 인프라만으로도 많은 부분을 개선할 수 있을 것이라 확신한다. 렌즈를 활용하여 집광한 빛을 한곳으로 모으로 이를 셀에 균일한 강도로 손실 없이 전송하기 위한 기하광학적 설계기술이 필요하며 이러한 설계와 조명설계를 결합하여 광시스템을 구축하는 것이 무엇보다 중요하다. 현재 나라마다의 다양하고 적극적인 개발노력으로 인하여 수년 안에 기존보다도 훨씬 효율성 높고 실용적인 태양집광시스템이 개발되리라 기대한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.373-375
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• 2011

최근 태양전지 연구에서 저가격화를 실현하는 방법 중 하나로 폐 실리콘 웨이퍼를 재생하는 방법에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 기존 웨이퍼 재생공정은 높은 재처리 비용과 복잡한 공정등의 많은 단점을 가지고 있다. 결정형 태양전지에서 저가격화 및 고효율은 태양전지를 제작하는데 있어 필수 요소 이다. 그 중 결정질 태양전지 고효율을 위한 여러 연구 방법 중 표면 텍스쳐링(texturing)에 관한 연구가 활발하다. 텍스쳐링은 표면반사에 의한 광 손실을 최소화 하여 효율을 증가시키기 위한 방법으로 습식 식각과 건식 식각을 사용하여 태양전지 표면 위에 요철 및 피라미드구조를 형성하여 반사율을 최소화 시킨다. 건식식각은 습식식각과 다른 환경적 오염이 적은 것과 소량의 가스만으로 표면 텍스쳐링이 가능하여 많은 연구가 진행중이다. 건식 식각 중 하나인 RIE(reactive ion etching)는 고주파를 이용하여 플라즈마의 이온과 silicon을 반응 시킨다. 실험은 RIE를 이용하여 SF6/02가스를 혼합하여 비등방성 에칭 및 피라미드 구조를 구현하였다. RIE 공정 중 SF6/02가스는 높은 식각 율을 갖으며 self-masking mechanism을 통해 표면이 검게 변화되고 반사율이 감소하게 된다. 이 과정을 통해 블랙 실리콘을 형성하게 된다. 블랙 실리콘은 반사율 10% 이하로 self-masking mechanism으로 바늘모양의 구조를 형성되는 게 특징이며 표면이 검은색으로 반사율이 낮아 효율증가로 예상되지만 실제 바늘 모양의 블랙 실리콘은 태양전지 제작에 있어 후속 공정 인 전극 형성 시 Ag Paste의 사이즈와 표면 구조를 감안할 때 태양 전지 제작 시 Series resistance를 증가로 효율 저하를 가져온다. 본 연구는 SF6/02가스를 혼합하여 기존 RIE로 형성된 바늘모양의 구조의 블랙 실리콘이 아닌 RIE 내부에 metal-mesh를 장착하여 단결정(100)실리콘 웨이퍼 표면을 텍스쳐링 하였고 SF6/02 가스 1:1 비율로 공정을 진행 하였다. metal-mesh 홀의 크기는 100um로 RIE 내부에 장착하여 공정 시간 및 Pressure를 변경하여 실험을 진행하였다. 공정 시간이 변경됨에 따라 단결정(100) 실리콘 웨이퍼 표면에 피라미드 구조의 균일한 1um 크기의 블랙 실리콘을 구현하였다. 바늘모양의 블랙 실리콘을 피라미드 구조로 구현함으로써 바늘 모양의 단점을 보완하여 태양전지 전기적 특성을 분석하여 태양전지 제작시 변환 효율을 증가시킬 것으로 예상된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2010년도 제39회 하계학술대회 초록집
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• pp.308-308
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• 2010

산업의 기반이 되는 화석연료의 고갈과 화석연료의 사용으로 야기되는 환경오염 문제로 인하여 새로운 에너지원의 개발이 요구되고 있다. 이러한 시대적 요구에 부흥하고자 신재생 에너지원에 관한 많은 연구가 진행되고 있으며, 그중에 태양전지가 가장 주목받고 있다. 그러나 태양전지는 기존 전력 생산 방법에 비해 경제성이 낮아 이를 극복하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히 결정질 태양전지에 관한 연구가 가장 활발한데 경제성과 변환효율을 향상시키기 위해 태양전지의 전면에 선택적 doping 형성법이 사용되고 있는데, 선택적 doping 구조의 태양전지는 기존의 태양전지보다 변환효율이 높으면서 양산에서 사용 가능한 구조이기 때문에 경제적 측면에서 더 유리한 구조라 할 수 있다. 하지만 선택적 doping 형성을 위한 실험적인 분석 방법에는 많은 시간과 노력이 필요하며 많은 시행착오를 겪어야 한다. 따라서 이러한 시간과 노력을 줄이고 실험을 하기 이전에 결과를 예측하여 실험의 방향을 제시하고자 TCAD simulation을 이용하여 결정질 태양전지의 전면에 형성한 선택적 doping 농도에 따른 pn 접합 형성 구조와 doping profile에 따른 전기적, 광학적 특성을 예측하고 효과적인 특성을 가질 수 있는 구조를 제시하고자 한다. 선택적 doping의 효과를 확인하기 위해 SR로 각 파장별 양자효율의 변화와 전기적 특성을 분석하여 selective emitter 태양전지에 적합한 pn 접합 형성구조를 제시하고자 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.307-307
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• 2012

현재 태양전지 시장은 결정질 태양전지가 주류를 차지하고 있으며 이중 상대적으로 재료비가 저렴한 다결정 실리콘 기반의 고효율 태양전지 제작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 본 실험에서는 표면 텍스처링 방법에 따른 태양전지 소자의 특성 변화에 대한 실험을 진행하였다. 일반적으로 다결정 태양전지의 경우 산성용액을 이용한 표면 텍스처링을 실시하는데 이 경우 표면에 형성된 텍스처 구조는 산성용액의 등방성 식각으로 인해 반구(Hemisphere) 형태의 구조를 띄게 된다. 이는 표면에서의 광흡수율을 떨어뜨려 태양전지 소자의 효율을 저해하는 원인이 된다. 따라서 본 연구에서는 다결정 실리콘 태양전지의 효율 향상을 위해 레이저를 이용한 차세대 텍스처링 방법에 대한 연구를 진행하였다. 우선 355 nm 파장의 Ultra-Violet (UV) 레이저를 소자 표면에 조사함으로써 $10{\mu}m$의 dot diameter와 depth를 갖는 honey comb 배열의 hole을 형성하였다. 이후 산성용액에 담가 레이저 공정 후의 slag를 제거해 최종적으로 피라미드 형태의 구조를 형성하였다. Suns_Voc 효율 측정 결과 산성용액을 이용한 텍스처링의 경우 개방 전압이 611 mV, 곡선인자가 81%, 효율이 17.32%로 각각 측정되었다. 반면, 레이저 텍스처링의 경우에서는 개방전압이 631 mV, 곡선인자가 83%, 효율이 18.33%로 용액 텍스처링 방법보다 우수한 특성을 보였다. 이는 UV 레이저 텍스처링을 통해 형성된 피라미드 형태의 표면 구조에서의 광흡수율이 산성용액을 이용한 방법보다 우수함을 말하며, 따라서 태양전지의 주요 파라미터가 향상된 결과를 보였다. 본 실험에서는 레이저 텍스처링을 통한 태양전지 제작에 대한 방법을 제시하며, 향후 고효율의 다결정 태양전지 제작에 있어 기여 할 것으로 판단된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.161-162
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• 2011

최근 광전자 분야에서는 미래 에너지 자원에 대한 관심과 함께 GaN 기반 태양전지 연구가 활발히 진행되고 있다. GaN 물질은 높은 전자 이동도와 높은 포화 속도 등 광전자 소자에 유리한 광, 전기적 특성들을 가지고 있다. 또한, In의 함량을 변화시켜가며, 0.7eV에서 3.4eV까지 밴드갭을 조절함으로써, 자외선부터 적외선까지 태양빛 스펙트럼의 대부분을 흡수할 수 있는 장점이 있다. InGaN 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 In의 함량을 늘려 밴드갭을 줄이는 것이 중요하다. 하지만 GaN 와 InN 간의 격자 부정합으로 인해 In 함량이 높은 단결정 InGaN 층을 두껍게 성장 하는 것이 어렵다. 때문에 GaN 기반 태양전지 관련 연구 그룹들이 태양전지의 효율 향상을 위해 활성층에 양자우물(MQWs) 구조, Supper Lattice (SLs) 구조와 같이 얇은 InGaN/GaN 층을 주기적으로 반복하여 적층함으로써 높은 조성의 In을 함유한 상질의 InGaN/GaN 층을 성장하는 연구들을 진행해 왔다. 본 연구에서는, p-i-n 구조와 MQW 구조를 갖는 InGaN 기반 태양전지를 제작하여, 각각의 특성을 분석해 봄으로써, In0.1Ga0.9N 태양전지 활성층의 구조에 따른 장/단점에 대해 논의하였다. 먼저 MOCVD를 이용하여 200 nm의 i-In0.1Ga0.9N 활성층을 갖는 p-i-n 구조와 In0.19Ga0.81N/GaN(3 nm/8 nm) MQWs (8 periods) 구조를 갖는 태양전지 에피를 각각 성장하였고, 그 후 공정을 통해 그림 1과 같이 InGaN 태양전지 소자를 제작하였다. 그 후, 각 태양전지의 전류/전압 곡선과 외부양자효율을 측정하여 그림 2와 같은 결과를 얻었다. p-i-n과 MQW 샘플의 외부양자효율은 각각 ~70%, ~25%로 측정 되었다. MQW 샘플의 외부 양자효율이 높지 않음에도 불구하고 p-i-n 구조에 비해 높은 In 함량을 가지고 있으므로, 더 넓은 파장의 빛을 흡수하여, 높은 단락전류(0.778 mA/cm2)를 보이고 있다. 또한 p-i-n 구조에 비해 높은 개방전압(2.3V)를 가지고 있으므로, MQW 샘플이 약 17% 정도 높은 변환효율(1.4%)를 보이고 있다. 이후 추가적으로 p-i-n 과 MQW 구조의 InGaN 태양전지에 나타나는 Voc와 Jsc의 차이를 Polarization 효과를 비롯한 다양한 측면에서 분석해 보고자 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.290-290
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• 2010

현재 세계적으로 화석연료의 고갈로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 모아지고 있다. 그중에서 태양전지가 가장 주목을 받고 있으며 태양전지는 크게 무기와 유기 태양전지로 구분된다. 실리콘 및 화합물 반도체를 이용한 무기 태양전지는 높은 에너지 변환 효율을 보이고 있으나 생산단가가 높아 화석연료로부터 얻는 에너지에 비해 경제성이 떨어진다. 그중에서 유기 태양전지는 무기 태양전지의 효율에는 미치지 못하지만 제작공정의 비용이 낮고, 투명하고 다양한 색을 나타낼 수 있으며, 특히 유연성을 바탕으로 원하는 제품의 디자인을 구현 할 수 있는 장점을 가진다. Inverted 구조는 conventional 구조에 비해 Al과 같은 air-sensitive한 전극을 대체 할 수 있다는 장점을 가진다. 본 연구에서는 sol-gel상의 ZnO를 스핀코팅 방법으로 박막을 형성하여 inverted 구조 형태의 유무기 하이브리드 태양전지를 제작하였으며, ZnO 코팅 공정 조건 (두께, 열처리 온도)에 따른 태양전지의 특성변화(광 변환효율 및 수명 등)를 관측하였다. 최적화된 ZnO의 공정조건에서 제작된 하이브리드 태양전지는 3% 이상의 광 변환효율과 1000시간 이상의 반감 수명을 가지는 우수한 특성을 보였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.329.2-329.2
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• 2014

지난 수년간 태양전지의 광전변환효율을 높이기 위해 자가 조립된 InAs 또는 GaSb와 같은 양자점을 GaAs 단일 p-n 접합에 적용하는 연구를 개발해 왔다. 그러나 양자점의 흡수 단면적에 의한 광 흡수도는 양자점층을 수십 층을 쌓으면 증가하지만 활성층에 결함을 생성시킨다. 생성된 결함은 운반자트랩으로 작용하여 태양전지의 광전변환효율을 감소시킨다. 본 실험에서는 양자점이 적용된 태양전지와 적용되지 않은 태양전지의 광전변환 효율을 비교하고, 깊은준위 과도용량 분광법을 이용하여 결함상태를 측정 및 비교함으로써, 활성층 내부에 생성된 결함이 광전변환 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 소자구조는 분자선 증착 방법을 이용하여, 먼저 n+-형 GaAs기판위에 n+-형 GaAs를 250 nm 증착한 후, 도핑이 되지 않은 GaAs활성층을 $1{\mu}m$ 두께로 증착하였다. 마지막으로 n+ 와 p+-형 GaAs를 각각 50, 750 nm 증착함으로써 p-i-n구조를형성하였다. 여기서, n+-형 GaAs 과 p+-형 GaAs의 도핑농도는 동일하게 $5{\times}1018cm-3$로 하였다. 또한 양자점을 태양전지 활성층에 20층을 형성하였다. 이때 p-i-n 태양전지 와 양자점 태양전지의 광전변환 효율은 각각 5.54, 4.22 % 를 나타내었다. p-i-n 태양전지의 개방 전압과 단락전류는 847 mV, 8,81 mA이며 양자점 태양전지는 847 mV, 6.62mA로 확인되었다. 태양전지의 전기적 특성을 측정하기 위해 소자구조 위에 Au(300nm)/Pt(30nm)/Ti(30nm)의 전극을 전자빔증착장치로 증착하였으며, 메사에칭으로 직경 $300{\mu}m$의 태양전지 구조를 제작하였다. 정전용량-전압 특성 및 깊은준위 과도용량 분광법을 이용하여 태양전지의 결함분석 및 이에 따른 광전변환 특성인자와의 상관관계를 논의할 것이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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• pp.71.2-71.2
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• 2010

고체산화물연료전지는 청정에너지원으로써 기존의 발전방식을 대신할 차세대 에너지원으로 각광 받고 있다. 고체산화물 연료전지는 고온에서 작동하는 특성상 실험을 통하여 전극미세구조 및 구동조건을 최적화하는 것은 매우 어렵다. 본 연구는 전기화학식을 이용한 전산모사를 통해서 고체산화물 연료전지의 구동조건에 따른 성능 평가 및 전극의 미세구조 최적화 과정을 수행하였다. 전극 내 전달현상을 무시하고 오직 전기화학반응만을 고려한 전산모사는 단전지의 전극미세구조 및 구동조건에 따른 전지성능을 빠르게 예측할 수 있으며, 이를 기반으로 다양한 조건에서 얻은 전지 성능 데이터를 통해 전극미세구조를 최적화하였다. 개회로전압, 활성화분극, 저항분극, 물질수송손실을 표현하기 위하여 Nernst 식, Butler-Voler 식, 옴의 법칙, dusty-gas 모델을 각각 사용하였으며, 전극미세구조 및 구동조건의 변화는 물질확산계수 및 교환전류밀도를 통하여 그 영향이 전지성능에 반영된다. 온도, 압력, 주입 연료의 조성에 대한 성능평가가 수행되었으며, 1023K, 1 bar의 조건하에서 최적의 단전지 성능을 위한 기공도와 기공크기를 조사하였다. 더 향상된 단전지 성능 확보를 위해서 실험에서 쓰이는 기능층(functional layer)과 유사하게 넓은 반응 면적과 원활한 반응물 및 생성물의 이동을 보장하도록 기공도 및 기공크기를 그레이딩한 전극구조(graded-electrode)를 디자인하고 성능을 평가하였다. 그 결과 기존의 전지구조 대신에 그레이딩된 전극을 사용할 경우 50%이상 향상된 전지성능을 예측할 수 있었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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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.