KR101104687B1 - 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
다층 코어셀 입자막을 갖는 태양 전지의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 잉크젯 프린터의 두 개 이상의 잉크 헤드에서 각각의 잉크 용액을 분출하여 분출된 두 가지 이상의 잉크 용액의 화학 반응을 통하여 막을 형성하는 박막 형성 방법을 이용하는 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 박막 형성 방법을 이용하여 하부 전극층 상부에 PEDOT/PSS 막을 형성하는 단계; 및 상기 박막 형성 방법을 이용하여 상기 PEDOT/PSS 막 상부에 코어셀(core-shell) 구조를 갖는 다층 입자막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
코어셀 구조, 다층 코어셀 입자막, 잉크젯 헤드, 반응성 잉크, 태양전지
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 개 이상의 잉크 헤드에서 각기 분사돼 나오는 각각의 잉크 조성물이 기판 위에서 만나 반응을 통하여 초미립자 금속체가 형성되면서 동시에 패턴이 형성되도록 하고, 형성된 초미립자 금속체의 표면에 동일한 방법으로 코어셀 구조의 다층막 입자를 형성하는 방식을 이용하여 태양전지를 제조함으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
전자 산업에 있어서, 저렴하고 높은 해상도 및 미세한 라인의 전자 장치를 제조하는 것이 추세이기 때문에 잉크젯을 이용한 인쇄 기술이 각광을 받고 있다. 버블젯 혹은 피에조잉크젯 기술에 관한 기술 개발이 활발히 되어왔고, 많은 연구들이 현재에도 되고 있다. 그러나, 통상적인 크기의 은(Ag) 입자 혹은 도전체 입자들을 포함하는 분산액을 이용한 안정한 고밀도의 분산액의 제조를 어렵게 한다. 즉, 금속 입자들의 직경이 수백 나노미터 넘어서는 경우에 특히 심각한 노즐의 막힘 현상을 유발할 수 있고, 나노 크기의 도체를 분산시켜 얻은 잉크의 경우 도체 입자의 농도가 커짐에 따라서 유사한 현상이 나타나거나, 자체적으로 상호 인력에 의해서 뭉침 현상이 나타나는 고질적인 문제점이 있다.
미국 특허번호 USP5,132,248에서는, (a) 용매 내의 물질의 콜로이드성 입자들의 현탁액을 잉크젯 인쇄에 의해 기재상에 침착시킴; (b) 용매를 증발시켜, 기재 상에 물질을 남김; (c) 침착된 물질이 있는 기재에 레이저 어닐링하여, 레이저 빔의 경로에 의해 패턴을 정함; 및 (d) 레이저 빔에 의해 어닐링되지 않은 과량의 물질을 제거함으로 이루어지는, 물질의 침착에 의한 기재상의 패턴 형성 방법을 개시한다.
유럽공개특허번호 EP0,989,570A1에서는, 물 또는 유기 용매 및 상기 물 또는 유기 용매 내에 2 mPas 이하의 점도로, 1 중량% 이상 내지 80 중량% 이하로 분산된 수지를 포함하는 잉크 또는 전자 부품을 개시하고 있다. 또한, 위 특허에서는, 0.001 이상 내지 10 미크론(마이크로미터) 이하의 입자 크기를 갖는 금속 분말을, 2 poise 이하의 점도로, 1 중량% 이상 내지 80 중량% 이하로 적어도 물 또는 유기 용매에 분산시킴으로써 제조된 잉크를 이용하는 잉크젯 방법에 의해, 세라믹 그린 시이트 상에 구체화된 잉크 패턴을 형성하는 공정을 복수회 반복함; 이 잉크 패턴을 형성하는 복수개의 세라믹 그린 시이트들을 적층하여, 세라믹의 원적층체를 형성함; 및 구체화된 모양으로 절단하여 소성하고, 외부 전극을 형성함의 단계들을 포함하는, 전자 부품의 제조 방법을 개시하고 있다.
일본공개특허번호 JP2000-327964A(Nakao)에서는, 2 P 이하의 점도를 가지고, 입자 직경 10 미크론 이하의 금속 분말을 1 내지 80중량%의 농도로 물 또는 유기 용매 중에 분산시킴으로써 형성되며, 10 분 경과 후 10 mm 이하의 침전, 또는 100 분 경과 후 20 mm 이하의 침전을 갖는 전자 부품 전극 잉크를 개시하고 있다.
한편, 잉크젯 프린팅 기술은, 대기의 압력하에서 프린팅 시에만 잉크 방울을 분사하여 기록하는 방법으로서, 잉크 방울을 형성하는 방법은 압전 변환기를 써서 잉크 방울을 만드는 압전 방식과 열을 이용하여 기포를 만들어 잉크를 분사하는 가열 방법으로 크게 나눌 수 있고, 압전 방식은 다시 압전 변환기의 형태에 따라 박막이나 피스톤 같은 평면형 변환기와 원통형 변환기로 나누어진다. 압전 변환기를 사용할 경우는 잉크실이나 노즐에 변환기를 부착하여 압전 소자의 수축에 따라 잉크 방울이 형성되며, 버블을 사용할 경우는 거품 사이즈가 커짐에 따라 부피가 팽창하여 잉크실에서 잉크를 밖으로 밀어냄으로써 잉크 방울을 형성하게 된다. 이 모든 방법에 있어서 잉크의 재공급은, 모세관 흡입작용에 의해서 자동으로 되므로 펌프가 별도로 필요하지 않고, 기록을 원할 때만 잉크 방울을 사출할 수 있기 때문에 'drop-on-demand'(이하 DOD)라는 이름으로 불리어지고 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 잉크젯 인쇄의 특징을 이용한 기술이 금속 도전 막의 형성 및 세라믹 막의 형성 등 많은 부분에서 검토되어 왔으나, 일정 크기 이상의 금속 분말을 함유한 잉크는 분사 시에 노즐의 막힘 혹은 금속 입자의 비중이 큰 관계로 제조된 잉크의 장시간 유지가 힘든 문제점과, 나노 크기의 금속 입자가 함유된 경우 일정 농도 이상의 금속 입자를 함유하지 못함으로써 도체로서 충분한 전도도를 얻지 못하거나 혹은 형성된 패턴의 끊어짐 등이 유발되는 문제점, 세라믹 막의 형성에서의 유사한 문제점, 또는 나노 분말 제조가 극히 어려운 재료인 경우 잉크를 제조하는 것이 불가능한 문제점 등이 있다.
본 발명에서는, 상기 특허와 같이 금속 도체가 함유된 잉크를 이용하여 미세 패턴된 도선 혹은 일정 모양을 갖도록 형성하는 방법이 아닌 두 개 이상의 잉크젯 헤드에서 각기 분사돼 나오는 각각의 잉크 조성물이 기판 위에서 만나 반응을 통하여 초미립자 금속체가 형성되면서 동시에 패턴이 형성되고, 형성된 초미립자 금속체의 표면에 동일한 방법으로 코어셀 구조의 다층막 입자를 형성하는 방식을 이용하여 태양전지를 제조하였다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 실시예에 따른 목적은, 두 개 이상의 잉크 헤드에서 각기 분사돼 나오는 금속 도체 혹은 세라믹 입자가 함유된 잉크 조성물이 기판 위에서 만나 반응을 통하여 초미립자 금속체 혹은 세라믹 막이 형성되면서 동시에 패턴이 형성되도록 하고, 형성된 초미립자 금속체의 표면에 동일한 방법으로 코어셀 구조의 다층막 입자를 형성하는 방식을 이용하여 태양전지를 제조함으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양 전지의 제조 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 두 개 이상의 잉크 헤드에서 각기 분사돼 나오는 각각의 잉크 조성물이 기판 위에서 만나 반응을 통하여 초미립자 금속체가 형성되면서 동시에 패턴이 형성되도록 함으로써, 금속 도체가 함유된 잉크를 이용하여 미세 패턴된 도선 혹은 일정 모양을 갖도록 형성하는 기존 방식에 비하여 잉크젯 인쇄 기술의 장점인 DOD 방법에서 좀더 발전한 원리에 따라 원하는 부분에 원하는 재료의 패턴 막이 합성 되도록 하여 종래의 잉크가 가지는 문제점, 노즐의 막힘 문제, 패턴의 끊어짐 등을 해결할 수 있도록, 세라믹 초미립체 등의 패턴 막, 태양 전지 등 전자 소자나 회로를 구성하는 막 혹은 패턴을 다층 코어셀 구조를 갖는 다층막으로 형성할 수 있는 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양 전지의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 한 관점에 따른 태양전지의 제조 방법은 잉크젯 프린터의 두 개 이상의 잉크 헤드에서 각각의 잉크 용액을 분출하여 분출된 두 가지 이상의 잉크 용액의 화학 반응을 통하여 막을 형성하는 박막 형성 방법을 이용하는 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 박막 형성 방법을 이용하여 하부 전극층 상부에 PEDOT/PSS 막을 형성하는 단계; 및 상기 박막 형성 방법을 이용하여 상기 PEDOT/PSS 막 상부에 코어셀(core-shell) 구조를 갖는 다층 입자막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 다층 입자막을 형성하는 단계는 상기 박막 형성 방법을 이용하여 상기 PEDOT/PSS 막 상부에 PH3T 막을 형성하는 단계; 상기 박막 형성 방법을 이용하여 상기 PH3T 막 상부에 CdS 혹은 나노 입자 박막을 형성하는 단계; 상기 박막 형성 방법을 이용하여 상기 CdS 혹은 나노 입자 박막 상부에 ZnS 막을 형성하는 단계; 및 상기 PH3T 막을 형성하는 단계 내지 상기 ZnS 막을 형성하는 단계를 일정 횟수 반복 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 잉크 용액은 아세트산 카드뮴을 증류수에 녹인 용액에, 에틸렌 글리콜, 무수 알콜, 암모늄 아세테이트, 및 계면 활성제나 폴리비닐피롤리돈 공중합체를 혼합한 조성물을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 잉크 용액은 아세트산 아연을 증류수에 녹인 용액에, 에틸렌 글리콜, 무수 알콜, 암모늄 아세테이트, 및 계면 활성제나 폴리비닐피롤리돈 공중합체를 혼합한 조성물을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 잉크 용액은 티오 우레아를 증류수에 녹인 용액에, 에틸렌 글리콜, 무수 알코올, 암모니움 아세테이트, 및 계면 활성제나 폴리비닐피롤리돈 공중합체를 혼합한 조성물을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 잉크 용액은 티오펜계 모노머를 용매에 녹인 용액에, 에틸렌 클리콜, 및 계면 활성제를 혼합한 조성물을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 잉크 용액은 산화 중합 개시제인 무수염화제이철을 용매에 녹인 용액에, 에틸렌 클리콜, 및 계면 활성제를 혼합한 조성물을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 잉크 용액은 PEDOT의 모노머 EDOT를 증류수에 녹인 용액을 PSSA로 교반한 용액에, 에틸렌 클리콜, 및 계면 활성제를 혼합한 조성물을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 잉크 용액은 산화 중합 개시제인 아모니움퍼설페이트를 용매에 녹인 용액에, 에틸렌 클리콜, 및 계면 활성제를 혼합한 조성물을 포함할 수 있다.
본 발명의 한 관점에 따른 태양전지는 잉크젯 프린터의 두 개 이상의 잉크 헤드에서 각각의 잉크 용액을 분출하여 분출된 두 가지 이상의 잉크 용액의 화학 반응을 통하여 막을 형성하는 박막 형성 방법에 의하여 제조된 태양전지에 있어서, 두 전극층 사이에, 상기 박막 형성 방법에 의하여 형성되는 PEDOT/PSS 막; 및 상기 박막 형성 방법에 의하여 상기 PEDOT/PSS 막 상부에 형성되는 코어셀(core-shell) 구조는 갖는 다층 입자막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 다층 입자막 상부에 형성되는 LiF 층을 더 포함할 수 있 다.
본 발명에 따르면, 나노 분체가 존재하지 않는 경우에도 합성된 분체를 이용하는 것이 아닌 잉크 헤드에서 각각의 다른 화합물이 분출되고, 기판상에서 각 분출물들이 반응을 통하여 원하는 재료가 합성되므로 일정 크기 이상의 입자를 이용한 잉크의 보관 문제 및 입자의 비중에 의한 보관의 문제, 나노 크기의 분체의 경우 분체의 농도를 높이기 힘든 경우나, 분체를 제조하기 힘든 경우의 문제점들을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다층막 구조를 가지는 코어셀 구조의 입자 제조에 있어서, 1회의 인쇄 시 얻어지는 막상부에 잉크젯 방법을 이용하여 다른 막을 다시 입히고, 이러한 과정을 반복 수행함으로써, 패턴된 코어셀 구조의 다층 복합 입자막으로 얻을 수 있으며, 균일한 반응을 얻는 원리로서 초기 분사된 각 반응물들이 농도차이에 따라 확산과 반응을 동시에 일으키면서, 화학 반응을 통하여 나오는 반응열이 반응하지 않은 반응물의 운반 열로서 작용하여 비교적 균일한 반응을 얻을 수 있어 마이크로 크기의 영역 내에서 균일한 반응생성물이 합성할 수 있으므로, 잉크젯 인쇄에 의해서 패턴화된 다층 복합막을 얻을 수 있고, 이를 이용하여 효율 높은 태양 전지 혹은 유기발광 소자를 값싸게 제조할 수 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양 전지의 제조 방법을 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
[실시예 1] 태양 전지 제조를 위한 잉크 제조
1-1. 카드뮴 이온이 함유된 잉크의 제조
아세트산 카드뮴 2.7g 을 증류수 100 ml에 녹이고, 증류된 에틸렌 글리콜 50 ml을 혼합하고, 계면 활성 효과가 있는 무수 알콜, 예를 들어, 옥탄올 10ml를 위 혼합 용액에 혼합한다. 이에 산도 조절 물질로 암모늄 아세테이트를 0.8g 첨가하여 녹인 후, 점도 조절 및 안정제로서 통상의 계면 활성제, 혹은, 안정제로 사용되는 폴리비닐피롤리돈 공중합체(예를 들어, 비닐피롤리돈과 임의의 다른 단량체(들)의 공중합체)를 카드뮴 이온 대비 중량비로 0.5% ~ 20%를 첨가하여 녹인다.
1-2. 아연 이온이 함유된 잉크의 제조
아세트산 아연 2.7g 을 증류수 100 ml에 녹이고, 증류된 에틸렌 글리콜 50 ml을 혼합하고, 계면 활성 효과가 있는 무수 알콜, 예를 들어, 옥탄올 10ml 위 혼합 용액에 혼합한다. 이에 산도 조절 물질로 암모늄 아세테이트를 0.8g 첨가하여 녹인 후, 점도 조절 및 안정제로서 통상의 계면 활성제 혹은, 안정제로 사용되는 폴리비닐피롤리돈 공중합체(예를 들어, 비닐피롤리돈과 임의의 다른 단량체(들)의 공중합체)를 아연 이온 대비 중량비로 0.5% ~ 20% 를 첨가하여 녹인다.
1-3. 황이 함유된 잉크 제조
티오 우레아(NH2CSNH2) 1.6g을 증류수 100 ml에 녹이고, 이에 증류된 에틸렌 글리콜 50 ml을 혼합하고, 계면 활성 효과가 있는 무수 알콜, 예를 들어, 옥탄올 10ml 를 위 혼합 용액에 혼합한다. 이후 용액의 산도를 조절하기 위하여 암모니움 아세테이트(CH3CO2NH4)를 0.8g 첨가하여 녹인다. 점도 조절 및 안정제로서 통상의 계면 활성제, 혹은, 안정제로 사용되는 폴리비닐피롤리돈 공중합체(예를 들어, 비닐피롤리돈과 임의의 다른 단량체(들)의 공중합체)를 카드뮴 이온 대비 중량비로 0.5% ~ 20% 를 첨가하여 녹인다.
1-4. P3HT의 단분자(3-hexylthiophene) 잉크제조
티오펜계(thiophene) 모노머(monomer)를 다음 용매 중 한가지 이상을 선택하여 녹인다. 즉, 이러한 용매로서는 알코올류, 할로겐화 탄화수소류, 방향족 탄화 수소류 및 에테르류 등 티오펜계 모노머가 용해될 수 있는 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 클로로포름 100ml에 10 밀리몰의 P3HT 티오펜 모노머를 녹인 후, 에틸렌 클리콜 50 ml 및 통상의 계면 활성제를 전체 용액의 부피에 대하여 10% 이내에서 첨가하여 잉크를 제조할 수 있다.
1-5. P3HT 단분자의 중합개시제 잉크제조
산화 중합 개시제인 1몰의 무수염화제이철을 클로로포름 용액(용매)에 녹인 후, 에틸렌 클리콜 50 ml 를 첨가하고, 계면 활성제를 용액의 부피비 10% 이내에서 첨가한다. 산화 중합 개시제로는 황산, 염산 및 클로로술폰산 등과 같은 무기산이나 통상적인 루이스산, 및 알루미늄, 크롬, 주석, 티탄, 지르코늄, 망간, 철, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 루테늄 및 백금 등의 금속의 염화물, 또는 황산염, 질산염 및 위와 같은 금속의 아세틸아세톤의 착화합물 등과 같은 금속 화합물을 들 수 있다. 또한, 위와 같은 산화 중합 개시제 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수도 있다. 용매로서는 알코올류, 할로겐화 탄화수소류, 방향족 탄화 수소류 및 에테르류 등 산화제가 용해될 수 있는 것을 사용할 수 있다.
1-6. PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) 모노머 및 폴리머 안정제가 함유된 잉크 제조
PEDOT의 모노머 EDOT(3,4-ethylenedioxythiophene) 0.01 몰(mole)을 100ml 증류수에 녹인다. 고분자 안정화제 및 도판트로서 PSSA(polystylenesulfonic acid) 0.02 몰을 위 용액에 첨가하여 교반(vortex)한 후 에틸렌 클리콜 50 ml 및 통상의 계면 활성제를 전체 용액의 부피에 대하여 10% 이내에서 첨가하여 잉크를 제조할 수 있다. 용매로서는 알코올류, 할로겐화 탄화수소류, 방향족 탄화 수소류 및 에테르류등 EDOT 및 PSSA 가 용해될 수 있는 것을 사용할 수 있다.
1-7. EDOT 중합개시제 잉크제조
산화 중합 개시제인 암모니움퍼설페이트(Ammonium Persulfate, APS) 0.05몰을 증류수 25 ml 에 넣고 녹인 후, 에틸렌 클리콜 5 ml 를 첨가하고, 계면 활성제를 용액의 부피비 10% 이내에서 첨가한다. 산화 중합 개시제로는 황산 삼산화철, 과황간 칼륨, 삼염화철 및 클로로술폰산등과 같은 무기산, 통상적인 루이스산, 및 알루미늄, 크롬, 주석, 티탄, 지르코늄, 망간, 철, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 루테늄 및 백금등의 금속의 염화물, 또는 황산염, 질산염 및 위와 같은 금속의 아세틸아세톤의 착화합물 등과 같은 금속 화합물을 들 수 있다. 또한, 위와 같은 산화 중합 개시제 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 산화 중합 개시제의 용매로서는 알코올류, 할로겐화 탄화수소류, 방향족 탄화 수소류 및 에테르류 등 산화제가 용해될 수 있는 것을 사용할 수 있다.
[실시예 2] 양자점(QD)이 함유된 유기반도체 태양전지의 제조
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 투명 전극(120), PEDOT/PSS 막(130), 광활성 층(140), LiF 층(150) 및 상부 전극층(160)을 포함한다.
하부의 투명 전극(+)(120)은 PET, PEN, PP와 같은 고분자 필름 기판 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판(110) 상에 코팅되어 형성되며, ITO, FTO, 도핑된 ZnO과 같은 투명전극 재료 중의 어느 하나를 포함하는 투명 전도성 필름에 의해 형성될 수 있다.
PEDOT/PSS 막(130)은 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))와 PSS(폴리(스티렌설포네이트))이 복합된 막으로, [실시예 1]의 1-6과 1-7에서 기술한 바와 같은 각 잉크를, 두 개 이상의 잉크 헤드를 가지는 잉크젯 프린터의 잉크로 각각 주입하고, 인쇄하고자 하는 패턴으로 투명 전극(120) 상부에 도포하고, 반응시켜 형성할 수 있다.
여기서, 반응 속도의 조절을 위하여 섭씨 50도 이상으로 기판을 예열시킬 수 있고, PEDOT/PSS 막(130)의 두께는 단분자 잉크의 농도를 조절하여 다양한 막두께로 제조 가능하며, 통상 30nm ~ 200nm의 막 두께를 얻을 수 있다.
이때, 광활성 층을 형성하기 전 PEDOT/PSS 막(130)을 80도 이상에서 완전히 건조시킬 수 있다.
광활성 층(140)은 PEDOT/PSS 막(130) 상부에 형성되는데, 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 코어셀(core-shell) 구조를 갖는 다층 입자막으로 형성한다.
여기서, 광활성 층(140)은 P3HT 와 CdS/ZnS 혹은 CdS/ZnO, ZnS/ZnO, 혹은 둘 이상의 복합 막을 갖는 코어셀 구조의 다층 입자막을 얻기 위하여 다음과 같은 방법으로 반응과 적층을 동시에 행할 수 있다. [실시예 1]의 1-4와 1-5에서 기술한 바와 같이 제조된 잉크를 두 개 이상의 잉크 헤드를 가지는 잉크젯 프린터의 잉크로 각각 주입하고, 인쇄하고자 하는 패턴으로 상기의 PEDOT/PSS 막(130) 위에 도포하고, 반응시켜서 P3HT 박막을 형성한다. 다음으로 CdS/ZnS 혹은 CdS/ZnO, ZnS/ZnO, 혹은 둘 이상의 복합 막 혹은 수십 나노급 양자점 입자를 포함한 박막을 적층 하기 위하여, [실시예 1]의 1-1과 1-3에서 기술한 바와 같이 제조된 잉크를, 두 개 이상의 잉크 헤드를 가지는 잉크젯 프린터의 잉크로 각각 주입하고, 인쇄하고자 하는 패턴으로 상기의 P3HT 박막 위에 도포하고, 반응시켜서 CdS 혹은 나노입자 박막을 형성한다.
다시 이러한 박막 적층 위에 [실시예 1]의 1-2와 1-3에서 기술한 바와 같이 제조된 잉크를 이용하여 인쇄하고자 하는 패턴으로 ZnS 막을 형성한다. 이런 일련의 과정을 여러 번 반복 수행하여 코어셀 구조로 이루어진 다층 입자막을 얻을 수 있다. 예를 들어, P3HT 막, CdS 막과 ZnS 막의 적층이 3번 반복된 두께 50nm ~ 800nm의 코어셀 구조를 가지는 광활성 층(130)을 얻을 수 있다.
LiF 층(150)은 광활성 층(130) 상부에 일반적인 증착 방법, 혹은 용액 코팅 방식 등을 사용하여 형성되는데, 0.1nm ~ 5nm의 두께로 형성될 수 있다.
상부 전극층(-)(160)은 LiF 층(150) 상부에 형성되며, 광 반사율이 큰 Pt 또는 귀금속(Au, Ag 등) 물질을 포함한 금속 필름이 코팅되어 형성될 수 있다.
이때, 상부 전극층(160)은 Pt를 이용하여 10nm ~ 500nm의 두께로 형성될 수도 있으며, 투명전극 재료를 이용하여 100nm ~ 400nm의 두께로 형성될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 코어셀 구조를 갖는 다층 입자막을 갖도록 형성함으로써, 다양한 파장대역에서도 광을 흡수할 수 있게 하여 유기태양전지의 효율을 높일 수 있게 한다.
학계에 보고되고 있는 코어셀 구조의 입자들이 코어와 셀의 밴드갭 에너지 차이를 이용하여 광자를 코어 내부에 잡아둠으로서 광학적인 증폭 현상을 보고하고 있다.
예를 들어, Li, J. et al. J. Phys. Chem. B 2006; 110: 14685-7, Yan, J. et al. Nano Lett. 2008; 8: 2794-9, Cao, L. Appl. Phys. Lett. 2002; 80: 4300, Li, S. Z. Appl. Phys. Lett. 2007; 90: 263106 등의 문헌에 보고된 바에 의하면, ZnS이 코팅된 ZnO 나노와이어 구조, CdSe/CdS/ZnCdS/ZnS 다중막 구조, Er2O3가 코팅된 ZnO 구조 등에서 광 증폭과 같은 유사한 결과를 보여 주고 있다.
Nano Lett., Vol. 7, No. 8, 2007, pp 2377 ~ 2382 따르면, ZnO/ZnS, ZnO/ZnTe의 나노헤테로 구조에서 광학적인 밴드갭을 줄이고, 태양전지에 요구되는 광흡수는 유지시킴으로서, 기본적인 태양전지 구조에서의 효율이 벌크상태의 ZnO가 7% 정도에 머무는 것에 비해서 ZnO/ZnS, ZnO/ZnTe 등은 각각 19% 및 30%까지 증가할 수 있음을 보여주고 있다.
즉, 이러한 복합 구조들은 단순히 두가지 다른 고체들의 접촉에서 오는 각각의 성질의 복합적인 특성을 지니는 것이 아니라, 두가지 다른 층이 만나면서 새로운 물리적, 전기적 특성을 지니게 된다는 것을 의미한다.
유기태양전지의 고효율화의 어프로치 중 한 가지가 전지층의 턴뎀화로서, 현 단계에서 단파장에서 장파장에 이르는 폭넓은 태양 에너지를 전부 흡수할 수 있는 유기재료가 없기 때문에 흡수파장이 다른 유기재료를 겹쳐서 태양전지층을 형성하여 효율을 높이는 연구가 활발히 되고 있으며, 이러한 적층 구조를 이용한 유기 태 양 전지 구조에서도 부분적으로 흡수하지 못하는 파장대가 존재한다.
본 발명에 따른 태양전지는, 유기 태양전지에 사용되는 유기물에 의해서 광을 흡수할 수 있는 파장대가 넓지 않으나, 다층막 구조, 혹은 다층 코어셀 구조의 나노입자를 삽입함에 따라서, 기존의 나노 단일 입자막이 가지던 전자나 홀의 이동 역할 이외에 유기활성 막의 흡수 파장대가 아닌 다양한 파장대역에서도 광을 흡수할 수 있게 함으로써, 태양전지의 효율을 높일 수 있게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양전지의 제조 과정에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, PET, PEN, PP와 같은 고분자 필름 기판 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에 ITO, FTO, 도핑된 ZnO과 같은 투명전극 재료 중의 어느 하나를 포함하는 투명 전도성 필름을 코팅하여 (+) 전압을 인가하기 위한 하부 전극을 형성한다(S210).
형성된 하부 전극 상부에 두 개 이상의 잉크 헤드를 포함하는 잉크젯 프린터를 이용하여 PEDOT/PSS 막을 형성한다(S220).
예컨대, 상술한 [실시예 1]의 1-6과 1-7에서 기술한 바와 같은 각 잉크를, 잉크젯 프린터에 구비된 잉크 헤드에 주입하고, 인쇄하고자 하는 패턴으로 하부 전극 상부에 도포하여 반응시켜서 PEDOT와 PSS가 복합된 PEDOT/PSS 막을 형성할 수 있는데, 이때 반응 속도의 조절을 위하여 섭씨 50도 이상으로 기판을 예열시킬 수 있다.
그 다음, PEDOT/PSS 막을 건조시킨 후 그 상부에 잉크젯 프린터를 이용하여 코어셀 구조를 갖는 다층 입자막(다층 코어셀 입자막)을 형성한다(S230).
이때, 형성되는 다층 코어셀 입자막은 흡수할 수 있는 태양 에너지의 파장대를 넓힘으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는데, 잉크젯 프린터에 구비된 두 개 이상의 잉크 헤더에 막을 제조하기 위한 잉크를 각각 주입한 후 분사하여 반응을 통해 원하는 막을 반복 생성함으로써, 다층 코어셀 입자막을 형성할 수 있으며, 원하는 두께의 다층 코어셀 입자막을 형성하기 위해 동일한 과정을 일정 횟수 이상 반복 수행할 수도 있다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 [실시예 1]의 1-4와 1-5에서 기술한 바와 같이 제조된 잉크를 잉크젯 프린터의 잉크로 각각 주입하고, 인쇄하고자 하는 패턴으로 PEDOT/PSS 막 상부에 도포한 후 반응시켜 P3HT 박막을 형성한다(S310).
형성된 P3HT 박막 상부에 CdS 혹은 나노 입자 박막을 형성하는데, 이 또한 [실시예 1]에서 제조된 잉크 예를 들어, 1-1과 1-3을 잉크젯 프린터의 잉크로 주입하여 인쇄하고자 하는 패턴으로 P3HT 박막 위에 도포한 후 반응시켜서 CdS 혹은 나노입자 박막을 형성할 수 있다(S320).
CdS 혹은 나노 입자 박막 상부에 ZnS 막을 형성하는데, 이 또한 [실시예 1]에서 제조된 잉크 예를 들어, 1-2와 1-3을 잉크젯 프린터의 잉크로 주입하여 인쇄하고자 하는 패턴으로 ZnS 막을 형성한다(S330).
이런 일련의 과정 즉, PH3T 박막을 형성하고, CdS 혹은 나노 입자 박막을 형성하며 ZnS 막을 형성하는 과정(S310 내지 S330, S340 내지 S360)을 일정 횟수 예를 들어, 3번 반복 수행함으로써, 일정 두께를 갖는 다층 코어셀 입자막을 얻을 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 단계 S230에 의해 형성된 다층 코어셀 입자막 상부에 일반적인 증착 방법, 혹은 용액 코팅 방식 등을 이용하여 LiF 층을 형성하고, LiF 층 상부에 Pt 등을 이용하여 (-) 전압을 인가하기 위한 상부 전극을 형성한다(S240, S250).
이와 같이, 본 발명에 따른 태양전지의 제조 방법은 잉크젯 프린터를 이용한 기판 위에서의 반응을 통해 코어셀 구조를 갖는 다층 입자막을 형성함으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 나아가 종래의 잉크가 가지는 문제점, 노즐의 막힘 문제, 패턴의 끊어짐 등을 해결할 수도 있다.
본 발명에 의한, 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양전지의 제조 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 코어셀 입자막을 갖는 태양전지의 제조 과정에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 단계 S230에 대한 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
Claims (12)
- 태양전지의 제조 방법에 있어서,하부 전극층 상부에 잉크젯 프린터의 두 개 이상의 잉크 헤드로 PEDOT 모노머와 폴리머 안정제가 함유된 잉크 및 EDOT 중합개시제 잉크를 각각 분출하여 분출된 두 가지 잉크 용액의 화학 반응을 통하여 PEDOT/PSS 막을 형성하는 단계; 및상기 PEDOT/PSS 막의 상부에 다층 입자막을 형성시에, 잉크젯 프린터의 두 개 이상의 잉크 헤드로 각층의 입자막을 형성하는 두 개 이상의 잉크를 각각 분출하여 분출된 두 개이상의 잉크 용액의 화학 반응을 통하여 각층의 입자막을 형성하는 과정을 반복 수행하여 코어셀(core-shell) 구조를 갖는 다층 입자막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 다층 입자막을 형성하는 단계는상기 박막 형성 방법을 이용하여 상기 PEDOT/PSS 막 상부에 PH3T 막을 형성하는 단계;상기 박막 형성 방법을 이용하여 상기 PH3T 막 상부에 CdS 혹은 나노 입자 박막을 형성하는 단계;상기 박막 형성 방법을 이용하여 상기 CdS 혹은 나노 입자 박막 상부에 ZnS 막을 형성하는 단계; 및상기 PH3T 막을 형성하는 단계 내지 상기 ZnS 막을 형성하는 단계를 일정 횟 수 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 잉크 용액은아세트산 카드뮴을 증류수에 녹인 용액에, 에틸렌 글리콜, 무수 알콜, 암모늄 아세테이트, 및 계면 활성제나 폴리비닐피롤리돈 공중합체를 혼합한 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 잉크 용액은아세트산 아연을 증류수에 녹인 용액에, 에틸렌 글리콜, 무수 알콜, 암모늄 아세테이트, 및 계면 활성제나 폴리비닐피롤리돈 공중합체를 혼합한 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 잉크 용액은티오 우레아를 증류수에 녹인 용액에, 에틸렌 글리콜, 무수 알코올, 암모니움 아세테이트, 및 계면 활성제나 폴리비닐피롤리돈 공중합체를 혼합한 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 잉크 용액은티오펜계 모노머를 용매에 녹인 용액에, 에틸렌 클리콜, 및 계면 활성제를 혼합한 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 잉크 용액은산화 중합 개시제인 무수염화제이철을 용매에 녹인 용액에, 에틸렌 클리콜, 및 계면 활성제를 혼합한 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 잉크 용액은PEDOT의 모노머 EDOT를 증류수에 녹인 용액을 PSSA로 교반한 용액에, 에틸렌 클리콜, 및 계면 활성제를 혼합한 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 잉크 용액은산화 중합 개시제인 아모니움퍼설페이트를 용매에 녹인 용액에, 에틸렌 클리콜, 및 계면 활성제를 혼합한 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
- 태양전지에 있어서,두 전극층 사이에,상기 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 태양전지의 제조 방법으로 형성된 PEDOT/PSS 막; 및상기 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 태양전지의 제조 방법으로 형성된 코어셀(core-shell) 구조를 갖는 다층 입자막을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제10항에 있어서,상기 다층 입자막은상기 PEDOT/PSS 막 상부에 형성되는 PH3T 막;상기 PH3T 막 상부에 형성되는 CdS 혹은 나노 입자 박막; 및상기 CdS 혹은 나노 입자 박막 상부에 형성되는 ZnS 막을 포함하고,상기 PH3T 막, 상기 CdS 혹은 나노 입자 박막 및 상기 ZnS 막이 일정 횟수 반복 형성되어 상기 코어셀 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제10항에 있어서,상기 다층 입자막 상부에 형성되는 LiF 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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