KR101186561B1 - 태양전지 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR101186561B1
KR101186561B1 KR1020110089789A KR20110089789A KR101186561B1 KR 101186561 B1 KR101186561 B1 KR 101186561B1 KR 1020110089789 A KR1020110089789 A KR 1020110089789A KR 20110089789 A KR20110089789 A KR 20110089789A KR 101186561 B1 KR101186561 B1 KR 101186561B1
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이종람
홍기현
정관호
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 태양전지 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지 소자는, 광투과성을 가진 기판; 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극; 상기 제1전극의 상면에 형성되는 굴절률 조절부; 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 상기 제1전극 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 제1전극 또는 정공 추출층과 광활성층의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 굴절률 조절부가 제1전극 또는 정공 추출층의 상면에 구비되고 이러한 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 광활성층이 형성됨으로써, 기판 측에서 입사되는 빛이 굴절률 조절부에 의해 광활성층의 내측으로 진행하게 굴절되어 빛의 광활성층 내에서의 이동 경로를 증가시킴으로써 광활성층에서 흡수되는 빛의 양을 제고하여 소자의 효율을 향상시킬 수 있으며, 이러한 굴절률 조절부는 격자망 또는 그물망 형상으로 이루어지거나 기둥 형상, 볼록렌즈 형상, 반구 형상, 막대 형상의 다수의 굴절률 조절체가 소정의 간격으로 배치되어 이루어짐으로써 광활성층 내부에서의 광산란을 촉진하여 광활성층에서 흡수되는 빛의 양을 더욱 제고함으로써 소자의 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이 같은 굴절률 조절부는 나노 임프린트, 패턴 전사법 등의 소프트 리소그래피를 이용하여 형성할 수 있으므로 저렴하고 간편하게 고효율의 태양전지 소자를 제조할 수 있다.

Description

태양전지 소자 및 이의 제조방법 {SOLAR CELL DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 태양전지 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광활성층 내에서의 빛의 이동 경로를 크게 증가시킴으로써 광활성층에서 흡수되는 빛의 양을 제고하여 소자의 효율을 향상시킬 수 있으며, 저렴하고 간편하게 제조할 수 있는 태양전지 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양 에너지는 석유와 같은 화석연료가 심한 환경오염을 야기하고 그 매장량도 점점 줄어들면서 고갈됨에 따라 환경오염 우려가 없으면서도 무한에 가까운 에너지원으로서 각광받고 있다.
이러한 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자를 태양전지 소자라 일컫는데, 일반적인 태양전지 소자는 전도성을 갖는 재질로 각각 이루어지는 한 쌍의 전극 사이에 전자도너와 전자억셉터를 가진 광활성층이 형성된 구조를 갖는다.
상기 태양전지 소자는, 광활성층에 빛이 입사됨에 따라 전자도너와 전자억셉터에 의해 광활성층 내부에서 전자와 정공의 전하들이 발생하고 이 전하들이 한 쌍의 전극으로 각각 이동함에 따라 한 쌍의 전극 간에 전위차가 발생하는 광전효과를 통해 빛 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
이와 같은 태양전지 소자는 전기 에너지를 발생하는 최소 단위이고, 태양전지 모듈은 복수의 태양전지 소자로 구성되며 전기 에너지를 꺼낼 수 있는 최소 단위이다. 그리고 태양전지 어레이는 설치 작업이나 유지보수 작업의 용이성을 위해 물리적으로 복수의 태양전지 모듈이 배치 구성되는 단위이다.
이 같은 태양전지 소자는 광활성층이 더 많은 빛을 흡수하여 더 많은 전하들이 광활성층 내부에서 발생되고, 이러한 전하들이 전극으로 더욱 신속하게 이동할수록 그 효율은 더 향상될 수 있다.
한편, 최근에는 태양전지 모듈을 창호나 벽면, 발코니 등의 건물 외관에 장착하여 자체적으로 전기를 생산하고, 생산된 전기를 해당 건물에서 바로 활용할 수 있게 하는 건물일체형 태양광발전시스템(BIPV system ; Building Integrated Photovoltaic System)이나 휴대전자기기에 장착할 수 있는 태양전지 모듈이 주목받으면서, 가벼우면서도 휘거나 접을 수 있어 곡면으로 제작이 가능한 유연성을 갖는 태양전지 소자에 대한 관심이 증대되고 있다.
이와 같은 차세대 태양전지 소자의 재료는 가벼우면서도 유연하고 깨지지 않으며 제조 단가가 낮아야 하는데, 이러한 요건에 잘 부합되는 재료는 바로 고분자 및 플라스틱과 같은 유기물 재료이다.
따라서 최근에는 이러한 유기물 재료를 이용한 유기 박막 태양전지 소자의 기술적 가능성이 확인되면서 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 같은 유기 박막 태양전지 소자의 기본 구조는 금속/유기물 반도체(광활성층)/금속이고, 버퍼층으로서 금속(양극)과 광활성층 사이에 정공 추출층이 형성되거나 금속(음극)과 광활성층 사이에 전자 추출층이 형성되기도 한다.
이러한 유기 박막 태양전지 소자의 경우, 광활성층의 두께는 100㎚ 이하인 수준으로 매우 얇지만, 이 정도의 두께도 일반적인 유기계 도너물질 내에서의 엑시톤의 확산거리인 10㎚ 이하에 비하면 큰 편이어서, 엑시톤의 손실을 줄여 소자의 효율을 향상시키기 위해 광활성층의 두께를 더 얇게 개발하려는 연구가 진행되고 있다.
그러나 광활성층의 두께를 줄이면 광활성층을 통과하는 빛의 이동 경로가 감소하고 이에 따라 광활성층에 흡수되는 빛의 양이 줄어들어 소자의 효율에 부정적인 영향을 미치게 된다.
이에 따라, 광활성층의 두께를 줄이더라도 광활성층 내에서의 빛의 이동 경로를 충분하게 확보할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 기판 측에서 입사되는 빛을 광활성층의 내측으로 진행하게 굴절시켜 빛의 광활성층 내에서의 이동 경로를 증가시킬 수 있는 태양전지 소자 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 소자는, 광투과성을 가진 기판; 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극; 상기 제1전극의 상면에 형성되는 굴절률 조절부; 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 상기 제1전극 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 소자는, 광투과성을 가진 기판; 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극; 상기 제1전극의 상면에 형성되는 정공 추출층; 상기 정공 추출층의 상면에 형성되는 굴절률 조절부; 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 상기 정공 추출층 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 정공 추출층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지 소자는, 광투과성을 가진 기판; 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극; 상기 제1전극의 상면에 층상으로 형성되는 굴절률 조절부; 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진다.
본 발명의 이와 또 다른 실시예에 따른 태양전지 소자는, 광투과성을 가진 기판; 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극; 상기 제1전극의 상면에 형성되는 정공 추출층; 상기 정공 추출층의 상면에 층상으로 형성되는 굴절률 조절부; 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 정공 추출층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진다.
상기 굴절률 조절부는, 격자망 형상 또는 그물망 형상으로 구비될 수 있다.
상기 굴절률 조절부는, 기둥 형상, 볼록렌즈 형상, 반구 형상 및 막대 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 다수의 굴절률 조절체가 소정의 간격으로 배치되어 이루어질 수 있다.
상기 굴절률 조절부는, 그 두께가 10㎚ ~ 10,000㎚로 구비될 수 있다.
상기 굴절률 조절부는, SiO2, SiO, MgF2, LiF, PDMS(Polydimethylsiloxane), SU8, PMMA(Polymethyl methacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 소자의 제조방법은, 광투과성을 가진 기판 상에 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극의 상면에 굴절률 조절부를 형성하는 단계; 상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 상기 제1전극 상에 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 소자의 제조방법은, 광투과성을 가진 기판 상에 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극의 상면에 정공 추출층을 형성하는 단계; 상기 정공 추출층의 상면에 굴절률 조절부를 형성하는 단계; 상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 상기 정공 추출층 상에 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 정공 추출층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지 소자의 제조방법은, 광투과성을 가진 기판 상에 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극의 상면에 층상의 굴절률 조절부를 형성하는 단계; 상기 굴절률 조절부의 상면에 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 형성된다.
본 발명의 이와 또 다른 실시예에 따른 태양전지 소자의 제조방법은, 광투과성을 가진 기판 상에 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극의 상면에 정공 추출층을 형성하는 단계; 상기 정공 추출층의 상면에 층상의 굴절률 조절부를 형성하는 단계; 상기 굴절률 조절부의 상면에 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 정공 추출층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 형성된다.
상기 굴절률 조절부는, 상기 굴절률 조절부를 격자망 형상 또는 그물망 형상으로 형성될 수 있다.
상기 굴절률 조절부는, 기둥 형상, 볼록렌즈 형상, 반구 형상 및 막대 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 다수의 굴절률 조절체가 소정의 간격으로 배치되게 형성될 수 있다.
상기 굴절률 조절부는, 10㎚ ~ 10,000㎚의 두께로 형성될 수 있다.
상기 굴절률 조절부는, 나노 임프린트 또는 패턴 전사법의 소프트 리소그래피의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 광활성층은, 스핀 코팅 또는 열증착 공정으로써 상기 굴절률 조절부를 내포하게 형성될 수 있다.
이러한 본 발명의 태양전지 소자 및 이의 제조방법에 의하면, 제1전극 또는 정공 추출층과 광활성층의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 굴절률 조절부가 제1전극 또는 정공 추출층의 상면에 구비되고 이러한 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 광활성층이 형성됨으로써, 기판 측에서 입사되는 빛이 굴절률 조절부에 의해 광활성층의 내측으로 진행하게 굴절되어 빛의 광활성층 내에서의 이동 경로를 증가시킬 수 있다.
따라서 광활성층에서 흡수되는 빛의 양을 제고할 수 있고, 이에 따라 태양전지 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 굴절률 조절부는 격자망 또는 그물망 형상으로 이루어지거나 기둥 형상, 볼록렌즈 형상, 반구 형상, 막대 형상의 다수의 굴절률 조절체가 소정의 간격으로 배치되어 이루어짐으로써, 광활성층 내부에서의 광산란을 촉진하여 광활성층에서 흡수되는 빛의 양을 더욱 제고함으로써 소자의 효율을 극대화시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 이 같은 굴절률 조절부는 나노 임프린트, 패턴 전사법 등의 소프트 리소그래피를 이용하여 형성할 수 있으므로 저렴하고 간편하게 고효율의 태양전지 소자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 소자의 부분 절개 사시도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 소자로 입사되어 굴절되는 빛의 경로를 보여주는 단면도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 소자의 부분 절개 사시도,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 소자의 부분 절개 사시도,
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 소자로 입사되어 굴절되는 빛의 경로를 보여주는 단면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자의 제조방법을 보여주는 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, '당업자'라 한다)가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 그 범위가 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 본 명세서에 첨부된 도면에 있어서 각 구성요소들의 두께, 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장되어 진 것임을 밝혀둔다.
본 발명에 따른 태양전지 소자 및 이의 제조방법은, 빛 에너지를 변환하여 전기 에너지를 발생하는 최소 단위인 태양전지 소자에 있어서 기판 측에서 입사된 빛이 광활성층을 통과하는 이동 경로를 증가시켜 광활성층에 흡수되는 빛의 양을 제고함으로써 그 효율을 크게 향상시킨 태양전지 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 소자의 구성 및 작용효과를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 소자는 기판(100), 제1전극(200), 정공 추출층(300), 굴절률 조절부(400), 광활성층(500) 및 제2전극(600)을 포함하여 이루어진다.
상기 기판(100)은 입사된 빛이 광활성층(500)에 도달할 수 있도록 광투과성을 갖는 유리, 실리콘, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리이미드 등의 재질로 이루어져 제1전극(200), 정공 추출층(300), 굴절률 조절부(400), 광활성층(500) 및 제2전극(600)이 형성되는 공간을 제공하고, 이들 구성요소를 지지하는 역할을 한다.
상기 제1전극(200)은 기판(100) 상에 형성되며, 전도성을 갖는 재질로 이루어져 광활성층(300)이 빛을 흡수함에 따라 광활성층(300)의 내부에서 발생하는 전하들 중에서 전자 또는 정공을 받아들이고, 기판(100)을 통해 입사된 빛이 광활성층(300)에 도달할 수 있도록 기판(100)과 마찬가지로 광투과성을 갖는 재질로 이루어진다.
이렇게 전도성과 광투과성을 갖는 재질 중 하나로서 상기 제1전극(200)은 굴절률이 2.0인 인듐 주석 산화물(ITO; Indium Tin Oxide)로 이루어질 수 있으나, 그 재질이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 불소도핑 주석 산화물 (FTO; Fluorine-doped Tin Oxide), 산화 아연(ZnO) 또는 그 합금 등으로 이루어질 수도 있다.
상기 정공 추출층(300)은 제1전극(200)과 광활성층(500)의 사이에 구비되는 일종의 버퍼층으로서 전기 전도도가 우수하고 일함수가 큰 PEDOT:PSS로 이루어질 수 있다. 이와 같은 정공 추출층(300)은 소자의 효율을 향상시키기 위해 구비될 수 있으나, 본 발명에 따른 태양전지 소자에 필수적으로 구비되어야 하는 것은 아니다.
상기 굴절률 조절부(400)는 정공 추출층(300)의 상면에 형성되며, 기판(100) 측에서 입사된 빛을 광활성층(500) 내부로 굴절시켜 빛의 광활성층(500) 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 광활성층(500)의 굴절률 및 정공 추출층(300)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진다.
본 발명의 제1실시예에 있어서, 정공 추출층(300)을 이루는 물질인 PEDOT:PSS의 굴절률은 1.53이며, 후술되는 광활성층(500)을 이루는 물질인 P3HT:PCBH의 굴절률은 1.50이므로, 굴절률 조절부(400)는 1.50보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 구비되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 굴절률 조절부(400)는 굴절률이 1.35이면서 광투과성을 갖는 MgF2로 구비될 수 있다. 그러나 상기 굴절률 조절부(400)를 이루는 물질은 이에 한정되지 않고, 굴절률이 1.3인 LiF, 굴절률이 1.46인 SiO2, 굴절률이 1.4인 PDMS, 굴절률이 1.49인 PMMA로 구비될 수 있다. 또한, 상기 굴절률 조절부(400)는 광활성층(500)과 정공 추출층(300)을 이루는 물질이 변경됨에 따라 굴절률이 1.58인 SU8, 굴절률이 1.7인 SiO 등의 물질로 구비될 수도 있다.
본 발명의 제1실시예에 있어서, 상기 굴절률 조절부(400)는 정공 추출층(300)의 상면에 형성되었으나, 정공 추출층(300)이 구비되지 않는 경우에는 제1전극(200)의 상면에 형성되며, 광활성층(500)의 굴절률 및 제1전극(200)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 이루어진다.
이 경우, 제1전극(200)이 2.0의 굴절률을 갖는 ITO로 구비되고, 광활성층(500)이 1.7을 초과하는 굴절률을 갖는 물질로 구비되면, 굴절률 조절부(400)는 굴절률이 1.58인 SU8이나 굴절률이 1.7인 SiO 등의 물질로 구비될 수도 있는 것이다.
한편, 상기 굴절률 조절부(400)는 나노 임프린트나 패턴 전사법의 소프트 리소그래프의 방법으로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 격자망 형상으로 구비될 수 있다.
상기 굴절률 조절부(400)가 이와 같이 격자망 형상으로 구비되어 광활성층(500)에 내포되게 형성된 경우, 굴절률 조절부(400)가 단순히 박막 형태로 이루어진 경우에 비해 굴절률 조절부(400)의 측면부를 통해서도 빛의 굴절이 일어나면서 광활성층(500) 내부의 빛의 이동 경로를 더욱 제고할 수 있고, 광활성층(500) 내부에서 빛이 활발히 산란되면서 광활성층(500)에서 흡수되는 빛의 양을 더 향상시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명의 제1실시예에 있어서, 상기 굴절률 조절부(400)는 격자망 형상으로 구비되었으나, 이에 한정되지 않고 이보다 불규칙한 그물망 형상으로 구비될 수도 있고, 단순한 박막 형태로 이루어져 정공 추출층(300) 상에 굴절률 조절부(400)가 층상으로 형상되고 이 굴절률 조절부(400) 상에 광활성층(500)이 적층되게 구현될 수도 있다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 있어서, 상기 굴절률 조절부(400)는 나노임프린트 또는 패턴 전사법의 소프트 리소그래피의 방법으로 비교적 저렴하고 간단한 방법으로 형성되었으나, 이에 한정되지 않고 포토 리소그래피, 전자선 리소그래피, 냉각 용착 등의 방법으로 형성될 수도 있다.
이하, 도 2를 참조하여 이와 같은 굴절률 조절부(400)에 의해 기판(100) 측에서 입사된 빛이 광활성층(500)의 내부로 굴절되는 과정을 살펴본다.
먼저, Ray1을 살펴보면, 기판(100) 측에서 입사되어 정공 추출층(300)을 지나 정공 추출층(300)보다 소한 매질인 굴절률 조절부(400)로 진행할 때에 굴절률 조절부(400)가 정공 추출층(300)보다 굴절률이 작으므로, 1차적으로 광활성층(500)의 내부를 향해 굴절되고, 다시 굴절률 조절부(400)에서 굴절률 조절부(400)보다 밀한 매질인 광활성층(500)으로 진행할 때에 광활성층(500)이 굴절률 조절부(400)보다 굴절률이 크지만 그 사이 계면이 수직(광활성층의 측면부)이므로 2차적으로 더 광활성층(500)의 내부로 굴절된다.
그리고 Ray2를 살펴보면, 기판(100) 측에서 입사되어 정공 추출층(300), 굴절률 조절부(400), 광활성층(500)을 순서대로 통과하여 제2전극(600)에 도달하면, 광활성층(500)과 제2전극(600)의 계면에서 반사되어 제2전극(600) 측에서 굴절률 조절부(400)로 입사되는데, 이때 광활성층(500)을 지나 광활성층(500)보다 소한 매질인 굴절률 조절부(400)로 진행할 때에 굴절률 조절부(400)가 광활성층(500)보다 굴절률이 작으므로, 1차적으로 광활성층(500)의 내부를 향해 굴절되고, 다시 굴절률 조절부(400)에서 굴절률 조절부(400)보다 밀한 매질인 광활성층(500)으로 질행할 때에 광활성층(500)이 굴절률 조절부(400)보다 굴절률이 크지만 그 사이 계면(광활성층의 측면부)이 수직이므로 2차적으로 더 광활성층(500)의 내부로 굴절된다.
한편, 상기 굴절률 조절부(400)는 그 두께가 10㎚ ~ 10,000㎚로 구비되는 것이 바람직한데, 그 이유는 굴절률 조절부(400)의 두께가 10㎚ 미만인 경우에는 그 두께가 너무 얇아 1, 2차의 굴절을 통해 빛을 충분히 광활성층(500)의 내부로 굴절시킬 수 없고, 굴절률 조절부(400)의 두께가 10,000㎚를 초과하는 경우에는 굴절률 조절부(400) 자체의 광투과도가 감소하여 바람직하지 않기 때문이다.
상기 광활성층(500)은 빛을 흡수하여 전자와 정공을 발생할 수 있도록 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 굴절률 조절부(400)를 내포하는 형태로 정공 추출층(300)의 상면에 형성된다.
본 발명의 제1실시예에 있어서, 상기 광활성층(500)은 복합 박막 구조(BHJ; Bulk-Heterojunction)로 배치된, P3HT(Polythiophene)을 포함하는 도너층 및 풀러렌(Fullerene, C60), 치환제인 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 포함하는 억셉터층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 도너층과 억셉터층이 순차적으로 증착된 이중층 구조로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기 억셉터층에 포함되는 물질도 이에 한정되지 않고, 가시광 영역에서 광흡수가 적으면서 전자 친화도가 도너층에 포함된 고분자 물질보다 큰 다른 고분자 물질이 적용될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지 소자에 있어서, 정공 추출층(300)이 구비되지 않는 경우에 광활성층은 굴절률 조절부(400)를 내포하는 형태로 제1전극(200)의 상면에 형성되고, 굴절률 조절부가 격자망 형상이나 그물망 형상으로 구비되지 않고 제1전극(200)의 상면에 층상으로 구비되는 경우에 이 광활성층은 층상으로 구비되는 굴절률 조절부의 상면에 형성될 수도 있다.
상기 제2전극(600)은 제1전극(200)과 함께 광활성층(500) 내부에서 발생한 전하들을 받아들여 전위차를 발생하도록 광활성층(500) 상에 형성된다.
이를 위해, 상기 제2전극(600)은 전도성을 갖는 Al, Ag, Cu, Mg 등의 재질로 이루어지며, 광활성층(500)으로 입사한 빛 중에서 광활성층(500)에 흡수되지 않은 빛을 반사하여 광 경로를 더 늘리기 위해 반사율이 높은 재질로 이루어질 수도 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 소자의 구성 및 작용효과를 구체적으로 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 소자는 굴절률 조절부(400')를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 소자와 그 구성이 유사하다. 따라서 이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 소자의 굴절률 조절부(400')를 중심으로 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 소자의 굴절률 조절부(400')는 소프트 리소그래피 방법으로써, 기둥(pellet) 형상을 갖는 다수의 굴절률 조절체(410)가 소정의 간격으로 배치되어 이루어진다.
상기 굴절률 조절부(400')가 이와 같이 다수의 굴절률 조절체(410)로 이루어질 경우, 굴절률 조절부(400')가 단순히 박막 형태로 이루어진 경우에 비해 굴절률 조절체(410)의 측면을 통해서도 빛의 굴절이 일어나면서 광활성층(500) 내부의 빛의 이동 경로를 더욱 제고할 수 있고, 각각 이격 배치된 다수의 굴절률 조절체(410)로 인해 광활성층(500) 내부에서 빛이 활발히 산란되면서 광활성층(500)에서 흡수되는 빛의 양을 더 향상시킬 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 소자의 구성 및 작용효과를 구체적으로 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 소자는 굴절률 조절부(400'')를 이루는 굴절률 조절체(410')의 형상을 제외하고는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 소자와 그 구성이 유사하다. 따라서 이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 소자의 굴절률 조절부(400'')를 이루는 굴절률 조절체(410')를 중심으로 설명한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 소자의 굴절률 조절부(400'')는 소프트 리소그래피 방법으로써, 볼록렌즈 형상을 갖는 다수의 굴절률 조절체(410')가 소정의 간격으로 배치되어 이루어진다.
상기 굴절률 조절부(400'')가 이와 같이 볼록렌즈 형상을 갖는 다수의 굴절률 조절체(410')로 이루어질 경우, 굴절률 조절부(400'')가 단순히 박막 형태로 이루어진 경우에 비해 굴절률 조절체(410')의 측면을 통해서도 빛의 굴절이 일어나면서 광활성층(500) 내부의 빛의 이동 경로를 더욱 제고할 수 있고, 기판(100) 측으로 입사된 빛을 확산시킬 수 있는 볼록렌즈 형상을 가지며 각각 이격 배치된 다수의 굴절률 조절체(410')로 인해 광활성층(500) 내부에서 빛이 활발히 산란되면서 광활성층(500)에서 흡수되는 빛의 양을 더 향상시킬 수 있다.
도 5는 이와 같은 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 소자로 입사되어 굴절되는 빛의 경로를 보여주는 단면도이다. 이에 대한 설명은 굴절률 조절체(410')의 볼록렌즈 형상으로 인해 기판(100) 측으로 입사된 빛이 좀 더 확산되는 것을 제외하고는 전술된 제1실시예의 도 2에 대한 설명과 대동소이하므로 해당 설명을 참조하고 더 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 광투과성을 갖는 유리, 실리콘, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리이미드 등의 재질로 이루어진 기판(100) 상에 전도성과 광투과성을 갖는 ITO, FTO, ZnO 또는 그 합금 등의 재질로 이루어진 제1전극(200)을 스퍼터링 법 등으로 증착 형성한다(s100).
다음, 이러한 제1전극(200)의 상면에 전기 전도도가 우수하고 일함수가 큰 PEDOT:PSS 등과 같은 물질로 정공 추출층(300)을 형성한다(s200).
그리고 이 정공 추출층(300)의 상면에, 정공 추출층(300)의 굴절률과 광활성층(500)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 SiO2, SiO, MgF2, LiF, PDMS, SU8, PMMA 중 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어진 굴절률 조절부(400)를 나노 임프린트 또는 패턴 전사법의 소프트 리소그래피의 방법으로 형성한다(s300).
이때, 굴절률 조절부(400, 400', 400'')는 격자망 형상이나 그물망 형상으로 형성될 수 있고, 기둥 형상, 볼록렌즈 형상, 반구 형상, 막대 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 다수의 굴절률 조절체(410, 410')가 소정의 간격으로 배치된 형태로 형성될 수도 있다.
이후, 이 같은 굴절률 조절부(400, 400', 400'')를 내포하는 형태로 정공 추출층(300) 상에 스핀 코팅 또는 열증착 공정으로써 광활성층(500)을 형성한다(s400).
보다 상세히 설명하면, 우선 굴절률 조절부(400)를 내포하게 복합 고분자 물질인 P3HT로 이루어진 도너층을 정공 추출층(300) 상에 스핀 코팅 방식으로 형성한다. 그리고 이 도너층 상에 C60, PCBM로 이루어진 억셉터층을 역시 스핀 코팅 방식으로 형성한다.
그 후, 이 광활성층(500) 상에 열증착 방식을 통해 전도성을 갖는 Al, Ag, Cu, Mg 등의 재질로 이루어진 제2전극(600)을 형성한다(s500). 이와 같은 제2전극(600)은 유리 또는 세라믹 기판과 같은 절연기판 상에 형성된 알루미늄, 텅스텐과 같은 도전성 박막 형태일 수도 있고, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘 중 어느 하나로 이루어진 금속판 형태일 수도 있는 등 다양한 형태가 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 소자의 제조방법은, 제1전극(200)의 상면에 정공 추출층(300)을 형성한 후, 그 상면에 굴절률 조절부(400)를 형성하게 구현되었으나, 이러한 정공 추출층(300)은 필수적인 구성요소가 아니므로, 제1전극(200)의 상면에 굴절률 조절부(400)를 바로 형성하게 구현될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 소자의 제조방법은, 정공 추출층(300)이나 제1전극(200)의 상면에 층상의 형태로 굴절률 조절부를 형성할 수도 있는데, 이 경우 광활성층(500)은 층상의 굴절률 조절부의 상면에 형성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 소자 및 이의 제조방법에 의하면, 제1전극(200) 또는 정공 추출층(300)과 광활성층(500)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 굴절률 조절부(400)가 제1전극(200) 또는 정공 추출층(300)의 상면에 구비되고 이러한 굴절률 조절부(400)를 내포하는 형태로 광활성층(500)이 형성됨으로써, 기판(100) 측에서 입사되는 빛이 굴절률 조절부(400)에 의해 광활성층(500)의 내측으로 진행하게 굴절되어 빛의 광활성층(500) 내에서의 이동 경로를 증가시킴으로써 광활성층(500)에서 흡수되는 빛의 양을 제고하여 소자의 효율을 향상시킬 수 있으며, 이러한 굴절률 조절부(400, 400', 400'')는 격자망 또는 그물망 형상으로 이루어지거나 기둥 형상, 볼록렌즈 형상, 반구 형상, 막대 형상의 다수의 굴절률 조절체(410, 410')가 소정의 간격으로 배치되어 이루어짐으로써 광활성층(500) 내부에서의 광산란을 촉진하여 광활성층(500)에서 흡수되는 빛의 양을 더욱 제고함으로써 소자의 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이 같은 굴절률 조절부(400, 400', 400'')는 나노 임프린트, 패턴 전사법 등의 소프트 리소그래피를 이용하여 형성할 수 있으므로 저렴하고 간편하게 고효율의 태양전지 소자를 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부되어 있는 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
＊ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 기판 200 : 제1전극
300 : 정공 추출층 400, 400', 400'' : 굴절률 조절부
410, 410' : 굴절률 조절체 500 : 광활성층
600 : 제2전극

Claims (17)

  1. 광투과성을 가진 기판;
    전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극;
    상기 제1전극의 상면에 형성되는 굴절률 조절부;
    전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 상기 제1전극 상에 형성되는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되,
    상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  2. 광투과성을 가진 기판;
    전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극;
    상기 제1전극의 상면에 형성되는 정공 추출층;
    상기 정공 추출층의 상면에 형성되는 굴절률 조절부;
    전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 상기 정공 추출층 상에 형성되는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되,
    상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 정공 추출층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  3. 광투과성을 가진 기판;
    전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극;
    상기 제1전극의 상면에 층상으로 형성되는 굴절률 조절부;
    전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부 상에 형성되는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되,
    상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  4. 광투과성을 가진 기판;
    전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 기판 상에 형성되는 제1전극;
    상기 제1전극의 상면에 형성되는 정공 추출층;
    상기 정공 추출층의 상면에 층상으로 형성되는 굴절률 조절부;
    전자도너와 전자억셉터를 가지며, 상기 굴절률 조절부 상에 형성되는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되며, 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극;을 포함하되,
    상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 정공 추출층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 굴절률 조절부는,
    격자망 형상 또는 그물망 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 굴절률 조절부는,
    기둥 형상, 볼록렌즈 형상, 반구 형상 및 막대 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 다수의 굴절률 조절체가 소정의 간격으로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 굴절률 조절부는,
    그 두께가 10㎚ ~ 10,000㎚인 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 굴절률 조절부는,
    SiO2, SiO, MgF2, LiF, PDMS(Polydimethylsiloxane), SU8, PMMA(Polymethyl methacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
  9. 광투과성을 가진 기판 상에 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계;
    상기 제1전극의 상면에 굴절률 조절부를 형성하는 단계;
    상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 상기 제1전극 상에 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
  10. 광투과성을 가진 기판 상에 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계;
    상기 제1전극의 상면에 정공 추출층을 형성하는 단계;
    상기 정공 추출층의 상면에 굴절률 조절부를 형성하는 단계;
    상기 굴절률 조절부를 내포하는 형태로 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 상기 정공 추출층 상에 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 정공 추출층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
  11. 광투과성을 가진 기판 상에 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계;
    상기 제1전극의 상면에 층상의 굴절률 조절부를 형성하는 단계;
    상기 굴절률 조절부의 상면에 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 제1전극의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
  12. 광투과성을 가진 기판 상에 전도성과 광투과성을 갖는 물질로 이루어진 제1전극을 형성하는 단계;
    상기 제1전극의 상면에 정공 추출층을 형성하는 단계;
    상기 정공 추출층의 상면에 층상의 굴절률 조절부를 형성하는 단계;
    상기 굴절률 조절부의 상면에 전자도너와 전자억셉터를 갖는 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 전도성을 갖는 물질로 이루어지는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 굴절률 조절부는, 상기 기판 측에서 입사된 빛을 굴절시켜 상기 광활성층 내의 이동 경로를 증가시킬 수 있게 상기 광활성층의 굴절률 및 상기 정공 추출층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며 광투과성을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 굴절률 조절부는,
    상기 굴절률 조절부를 격자망 형상 또는 그물망 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 굴절률 조절부는,
    기둥 형상, 볼록렌즈 형상, 반구 형상 및 막대 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 다수의 굴절률 조절체가 소정의 간격으로 배치되게 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
  15. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 굴절률 조절부는,
    10㎚ ~ 10,000㎚의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
  16. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 굴절률 조절부는,
    나노 임프린트 또는 패턴 전사법의 소프트 리소그래피의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
  17. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 광활성층은,
    스핀 코팅 또는 열증착 공정으로써 상기 굴절률 조절부를 내포하게 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조방법.
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