KR101353888B1 - 나노 패턴이 형성된 정공 추출층을 포함한 플렉서블 유기태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 플렉서블 유기태양전지 - Google Patents
나노 패턴이 형성된 정공 추출층을 포함한 플렉서블 유기태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 플렉서블 유기태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 기존의 플렉서블 기판의 낮은 공정 가능 온도, 높은 표면 거칠기, 높은 열팽창 계수, 나쁜 핸들링 특성의 문제와 태양전지의 광 활성층 내에서의 낮은 광 흡수율 문제에 따른 플렉서블 유기태양전지의 성능 및 수율 저하의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 플렉서블 유기태양전지의 제조방법은 플렉서블 기판을 형성하는 단계; 상기 플렉서블 기판 상에 반사 양극인 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상면에 졸-겔 ptype 물질로 정공 추출층을 형성하는 단계; 상기 정공 추출층에 나노패턴을 형성하는 단계; 상기 정공 추출층 상면에 광 활성층을 형성하는 단계; 상기 광 활성층 상면에 전자 추출층을 형성하는 단계; 및 상기 전자 추출층 상면에 제 2 전극을 형성하는 단계;로 형성된다. 또한, 입사되는 빛을 산란 및 확산시키는 다수의 나노 패턴이 형성된 정공 추출층은 광 활성층으로 통과하는 빛의 경로를 증가시킴과 동시에 광 활성층과 정공 추출층의 접촉 면적을 증가시켜 전하 캐리어의 이동 경로를 감소시켜 유기태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 플렉서블 유기태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 플렉서블 유기태양전지에 관한 것으로서, 특히 유리 기판 수준의 높은 공정 온도가 가능하고, 낮은 표면 거칠기, 낮은 열팽창 계수 및 우수한 핸들링 특성을 갖는 금속 기반의 플렉서블 기판과 더불어, 유기태양전지의 구조에서 정공 추출 역할을 하는 층에 롤-투-롤(ROLL-TO-ROLL) 공정을 통한 나노 패턴을 형성하여 높은 효율을 기대할 수 있는 플렉서블 유기태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 플렉서블 유기태양전지에 관한 것이다.
최근 석유와 같은 화석연료가 심각한 환경오염을 야기하고 있는 가운데, 무한 에너지원으로 각광받고 있는 태양광을 재생 에너지로 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 태양의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자를 태양전지라 일컫는데, 전도성을 갖는 재료로 각각 이루어지는 한 쌍의 전극 사이에 광 활성층이 구비되어 소정의 기판에 지지 형성된 구조를 갖는다.
그리고, 근래에는 멀티미디어의 발달과 함께 플렉서블(flexible) 전자소자의 중요성이 증대되고 있는 가운데, 무기물질을 기반의 태양전지보다 유기태양전지가 플렉서블(flexible)한 측면에서 우수한 특성을 선보이고 있어 많은 관심을 받고 있다. 하지만 유기태양전지의 기판으로는 광투과도가 우수하고 공정 편의성이 높은 유리 기판을 사용하고 있어 구부림 특성을 가지는 태양전지의 개발 필요성이 대두되고 있는 가운데 기존의 유리기판을 대신하여 플라스틱 및 스틸 기판을 이용하여 구부림 특성이 우수한 유기태양전지의 개발에 대한 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
먼저, 플라스틱 기판상에 전자소자를 직접 제조하는 방안과 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2009-0114195호에는 유리 기판상에 고분자 물질로 이루어진 가요성 기판을 접착한 후 전자 소자를 만든 후에 유리 기판으로부터 분리하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제2006-0134934호에는 유리 기판상에 스핀 온 방법으로 플라스틱을 코팅한 후 전자 소자를 만든 후에 유리 기판으로부터 분리하여 플렉서블 전자소자 제작하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 플라스틱 기판의 경우는 투과도도 높고 유연한 장점이 있는데 반하여 수분과 산소의 투과도 쉽게 이루어지기 때문에, 고분자 태양전지의 특성 저하를 일으키기 쉽다. 이에 따라, 수분과 산소의 침투에 의한 특성 저하를 해결하기 위해서 스틸 기판과 같은 금속 기판을 고분자 태양전지에 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
또한, 금속기판을 사용하는 공정과 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2008-0024037호에는, 금속 기판상에 유리 성분을 포함하는 버퍼막을 통해 표면 거칠를 낮추어 생산수율이 높은 플렉서블 전자 소자를 제공하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제2009-0123164호에는 금속 기판상의 양각형 패턴을 연마를 통해 제거하여 수율을 향상시키는 방법이 개시되어 있으며, 대한민국 공개 특허공보 제2008-0065210호에는 유리 기판상에 박리층 및 금속막을 형성하는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 플렉서블 고분자 태양전지에 사용되는 15 ~ 150㎛ 두께의 후막 금속기판은 그 제조 방법상 수백nm 이상의 표면 거칠기를 갖게 된다. 예를 들어, 압연을 통해 제작된 금속 후막의 경우 압연 흔이 존재하며, 유리 기판상에 증착을 통해 형성된 금속 후막의 경우 두께가 두꺼워짐에 따라 표면 거칠기가 비례하여 증가하기 때문에, 증착방법 및 조건에 따라 변하므로 낮은 표면 거칠기를 갖도록 플렉서블 금속 기판을 제작하는데 문제점이 있다. 이에 따라, 종래 금속 기판을 사용할 때는 금속 기판상의 표면 거칠기를 낮추기 위해 고분자 계열을 평탄화 층을 금속 기판상에 도포하거나 연마 공정을 행하는 것이 필수적이었다. 그런데 고분자 계열을 사용하여 표면 거칠기를 낮추는 경우는 고분자 태양전지 하부전극 형성에 필요한 고온 공정을 사용할 수 없는 문제점이 발생하게 되고, 연마 공정의 경우 단결정 Si 기판을 사용하는 고가의 마이크로프로세서나 RAM을 제작하는 경우에는 적합하나, 상대적으로 저가, 대면적이 요구되는 플렉서블 고분자 태양전지에 적용함에 있어서는 경제성이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 태양전지는 광 활성층에 많은 빛을 흡수할수록 더욱 많은 전하들이 광 활성층 내부에서 발생하여 그 효율은 더 향상될 수 있는데, 현재 태양전지 구조의 주류를 이루고 있는 박막 형태로 각각 구비되는 기판, 제 1 전극, 광 활성층 및 제 2 전극이 순서대로 적층된 2차원 박막의 적층구조는, 그 제조가 간단하다는 장점이 있으나, 광 활성층에 흡수되는 빛의 양이 적고 전하들이 신속하게 이동할 수 있는 구조가 아니므로 효율이 낮은 문제점이 있다. 또한 유기태양전지의 경우에는 광 활성층의 두께가 얇아 상대적으로 무기 물질을 기반으로 한 태양전지보다 흡수되는 빛의 양이 적어 효율이 낮은 문제점이 대두 되고 있는 실정이다.
이러한 낮은 효율을 향상시키기 위해 빛이 입사될 때에 기판의 표면 등에서 반사로 손실되는 빛의 양을 줄이거나, 태양전지로 입사되는 빛이 광 활성층을 통과하는 경로가 늘어나도록 빛을 산란 및 확산시키는 나노 스케일 내지 마이크로 스케일을 갖는 다수의 나노 패턴의 요철부를 기판의 표면에 형성하려는 노력이 이루어지고 있다. 종래에는 이러한 나노 패턴을 기판에 형성하기 위해 e-beam lithography를 이용하여 임프린트 몰드를 제작하는 기술 등이 주로 사용되었으나, 몰드 제작이나 식각 공정으로 인해 많은 비용과 시간이 소요되고 대면적 적용이 어려울 뿐만 아니라 식각 등이 용이한 기판 부재를 사용해야 하는 등 많은 한계가 있다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 유리 기판 공정과 동일한 수준의 소자 특성을 얻을 수 있는 낮은 표면 거칠기와 높은 전류밀도를 구현할 수 있는 플렉서블 유기태양전지 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플렉서블한 기판과 정공 추출층을 형성할 때 롤-투-롤 공정을 적용하여 높은 생산 속도와 양산화, 대면적 공정이 가능한 플렉서블 유기태양전지 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 고분자 태양전지 내부에 입사되는 빛을 산란 및 확신시키는 다수의 나노 패턴을 정공 추출층에 형성하여 광 활성층으로 통과하는 빛의 경로를 증가시킴과 동시에 광 활성층과 정공 추출층의 접촉면적을 증가시켜 전하 캐리어들이 이동하는 경로를 감소시켜 태양전지의 효율을 향상시키는 플렉서블 유기태양전지 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 나노 패턴이 형성된 정공 추출층을 포함한 플렉서블 유기태양전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플렉서블 유기태양전지의 제조방법은, 플렉서블 기판을 형성하는 단계; 상기 플렉서블 기판상에 반사 양극인 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상면에 졸-겔 p-type 물질로 정공 추출층을 형성하는 단계; 상기 정공 추출층에 나노패턴을 형성하는 단계; 상기 정공 추출층 상면에 광 활성층을 형성하는 단계; 상기 광 활성층 상면에 전자 추출층을 형성하는 단계; 및 상기 전자 추출층 상면에 음극인 제 2 전극을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 정공 추출층은 졸-겔 산화 텅스텐(WO3), 졸-겔 산화 몰리브데늄(MoO3), 졸-겔 산화 바나듐(V2O5), 졸-겔 산화 니켈(NiO), 졸-겔 산화 구리(CuOx) 등 졸-겔 p-type 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 패턴은 나노 임프린트 몰드를 이용한 임프린팅 방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 정공 추출층의 두께는 1nm이상 100nm이하로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 플렉서블 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA, 및 금속 박막으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광 활성층은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM, ICBA로 이루어진 군에서 1종이 혼합된 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 전극은 투명 전극으로써, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 나노패턴은 양극산화 알루미늄(AAO:Anodized aluminium oxide) 또는, 비등방성 결정 구조를 갖는 물질로부터 전사를 통하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 박막은 플렉서블 기판으로서 모기판 상에 형성하고 상기 모기판으로부터 분리시켜 접촉되어 있던 분리면 상인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 박막은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 한다.
상기 양극산화 알루미늄(AAO)은 황산, 옥살산, 인산 중에서 선택된 1종 이상을 포함하여 이루어지고, 상기 성분의 농도를 변화시키거나, 20~200V 범위 내에서 인가전압을 변화시켜 형성되는 나노 홀의 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 비등방성 결정 구조를 갖는 물질은 산화 마그네슘(MgO), 산화 니켈(NiO), 산화 칼슘(CaO) 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 진공증착법, 전자선증착법, 열증착법, 스퍼터링법, 레이저증착법, 유기화학증착법 또는 화학증착법으로 증착하여 결정면의 표면에너지 차이에 의해 자발적으로 표면에 다수의 요철부가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 나노패턴은 10~500nm 지름의 나노 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 전사를 위한 물질의 종류로는 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 포토레지스트, 폴리이미드, PDMS, PMMA, 열경화성 수지 또는 자외성 경화형 수지 중 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 모기판은 유리 또는 금속 또는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 모기판 면의 표면 거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<Rms<100㎚, 0<Rp -v<1000㎚인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 제 1 항의 제조방법으로 제조된 플렉서블 유기태양전지를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 첫째, 기존 플렉서블 유기태양전지 제조 방법에서 해결하지 못하였던 플렉서블 기판, 특히 금속제 플렉서블 기판의 표면 거칠기 문제를 용이하게 해결할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 유기태양전지 내부에 입사되는 빛을 산란 및 확신시키는 다수의 나노 패턴을 정공 추출층에 형성하여 광 활성층으로 반사되는 빛의 경로를 증가시켜 높은 전류밀도를 기대할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 광 활성층과 정공 추출층의 접촉면적을 증가시켜 전하 캐리어들이 이동하는 경로를 감소시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
넷째, 금속 기반의 플렉서블한 기판과 정공 추출층에 다수의 나노 패턴을 형성할 때 롤-투-롤 공정을 이용한 나노 임프린트 방식을 도입하여 높은 생산 속도, 양산화 및 대면적 공정이 가능한 효과가 있다.
뿐만 아니라, 고성능의 플렉서블 유기태양전지를 저비용으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플렉서블 유기태양전지의 금속 기반의 플렉서블 기판을 만드는 순서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플렉서블 유기태양전지의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플렉서블 유기태양전지의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 양극산화 알루미늄 몰드를 나노임프린트하여 제작된 볼록한 모양의 나노 구조체의 주사 전자 현미경(SEM)사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 암염 결정구조를 갖는 산화 마그네슘(MgO), 산화 니켈(NiOx) 및 산화 구리(CuOx)를 전자선 증착법을 이용하여 결정면의 표면 에너지 차이에 의해 다수의 요철부들이 자발적으로 형성된 것을 주사 전자 현미경(SEM)으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플렉서블 유기태양전지의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플렉서블 유기태양전지의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 양극산화 알루미늄 몰드를 나노임프린트하여 제작된 볼록한 모양의 나노 구조체의 주사 전자 현미경(SEM)사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 암염 결정구조를 갖는 산화 마그네슘(MgO), 산화 니켈(NiOx) 및 산화 구리(CuOx)를 전자선 증착법을 이용하여 결정면의 표면 에너지 차이에 의해 다수의 요철부들이 자발적으로 형성된 것을 주사 전자 현미경(SEM)으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 나노 패턴이 형성된 정공 추출층을 포함한 플렉서블 유기태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 플렉서블 유기태양전지의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 1 내지, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 플렉서블 유기태양전지 제조방법은, 플렉서블 기판(11)을 형성한다.(S10)
상기 플렉서블 기판(11)은 태양전지가 형성되는 베이스로서의 기능을 수행하며, PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA, SUS(Steel Use Stainless) 및 금속 박막으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 플렉서블 기판(11)은 금속 박막으로서, 종래의 플렉서블한 기판이 갖고 있는 낮은 공정 가능 온도, 높은 표면 거칠기, 높은 열팽창 계수, 나쁜 핸들링 특성의 문제를 해결하기 위해 본 실시 예에서는 도 1에서 도시한 바와 같이 롤 형상 모기판(10) 상에 금속 박막인 플렉서블 기판(11)을 형성하고 상기 롤 형상 모기판(10)으로부터 금속 박막인 플렉서블 기판(11)을 분리시킨다.
이때, 상기 플렉서블 기판(11)은, 상기 롤 형상 모기판(10)과 접촉되어 있던 분리면 상을 의미한다.
또, 상기 플렉서블 기판(11)인 금속 박막은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다
또한, 상기 롤 형상 모기판(10)은, 유리 또는 금속 또는 고분자 재료로 이루어질 수 있으며, 모기판(10) 면의 표면 거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<Rms<100㎚, 0<Rp -v<1000㎚인 것이 바람직하다.
다음, 상기 플렉서블 기판(11) 상에 반사 양극의 역할을 하는 제 1 전극(12)을 형성한다.(S20)
상기 제 1 전극(12)으로는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 적용할 수 있다.
예컨대, 상기 제 1 전극(12)은, 투명한 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 불소 첨가 주석 산화물(FTO), 주석 옥사이드, 아연 옥사이드, 아연 알루미늄 옥사이드, 및 티타늄 니트라이드 등의 금속 옥사이드 또는 금속니트라이드계 혹은 폴리아닐린, 폴리티오핀, 폴리피롤, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리(3-메틸티오핀), 및 폴리페닐렌설파이드 등의 전도성 중합체가 사용될 수 있다.
또, 상기 제 1 전극(12)은 전술한 재료들 중 한 가지 타입으로만 형성되거나 또는 복수 개의 재료의 혼합물로도 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 전극(12)의 상면에 졸-겔 p-type 물질로 정공 추출층(13)을 형성한다.(S30)
상기 정공 추출층(13)은 제 1 전극(12)과 광 활성층(14)의 사이에 구비되는 일종의 버퍼층으로서, 정공 추출의 역할을 하는 졸-겔 산화 텅스텐(WO3), 졸-겔 산화 몰리브데늄(MoO3), 졸-겔 산화 바나듐(V2O5), 졸-겔 산화 니켈(NiO), 졸-겔 산화 구리(CuOx) 등 졸-겔 p-type 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 정공 추출층(13)을 졸-겔 p-type 물질을 사용하여 형성하는 것은 정공이 잘 이동하도록 하기 위해서이다.
또한, 상기 정공 추출층(13)은 제 2 전극(16)을 통해 들어온 빛 중, 광 활성층(14) 상에 흡수되지 못한 빛은 정공 추출층(13)을 지나 제 1 전극(12)을 통해 반사되며, 다시 정공 추출층(13)을 지나 광 활성층(14)에서 흡수하게 된다.
따라서, 상기 정공 추출층(13)은 빛이 잘 투과되어야 광 활성층(14)에서 더 많은 빛을 흡수할 수 있기 때문에 광투과도가 상대적으로 높은 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
또, 상기 정공 추출층(13)의 두께는 1nm이상 100nm이하를 이루도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 정공 추출층(13)의 두께를 1nm이상 100nm이하로 형성하는 이유는, 정공 추출층(13)의 가장 두꺼운 부분이 100nm이하가 되어야 정공이 양극으로 확산되어서 이동될 수 있으며, 정공 추출층(13)의 두께가 이보다 더 두꺼운 경우는 오히려 생성된 정공의 이동을 방해하게 된다.
또, 정공 추출층(13)의 두께가 1nm이하로 할 경우에는 나노 임프린트 몰드의 표면 거칠기를 1nm이하로 조절하기 어렵고, 1nm이하의 패턴을 만들기도 어려워 정공 추출층(13)의 두께는 1nm이상 100nm이하를 이루도록 한정되는 것이 바람직하다.
다음, 상기 정공 추출층(13)에 나노패턴을 형성한다.(S40)
본 실시 예에서는 유기태양전지의 낮은 광 흡수율을 개선하기 위하여 상기 정공 추출층(13)에 형상 나노 임프린트 몰드를 이용한 임프린팅 방식으로 제작하게 되면 도 4에 도시된 바와 같이 볼록한 모양의 나노 패턴이 형성된다.
여기서, 상기 정공 추출층(13)에 나노패턴을 형성하는 이유는 반사되는 빛을 광 활성층(14)에서 흡수를 극대화하기 위한 것이다.
즉, 상기 나노패턴을 형성함으로써, 반사광의 산란을 유도하여 광 활성층(14)을 지나는 반사광의 경로를 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시키기 위한 것이다.
또, 상기 나노패턴을 나노 임프린트 방식으로 형성하는 것은 리소그래피 후 식각 등의 방법으로 형성할 경우, 공정이 복잡하고 생산비용이 크게 증가하는 것을 방지하기 위해서이다.
따라서, 졸-겔 형태의 p-type 산화물을 코팅한 후, 나노 임프린트 방식으로 광 산란을 위한 나노패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 롤 형상 나노 임프린트 몰드의 나노패턴은 양극산화 알루미늄(AAO:Anodized aluminium oxide), 비등방성 결정 구조를 갖는 물질로부터 전사를 통해 제작되는데, 양극산화 알루미늄(AAO)의 경우 황산, 옥살산, 인산 중에서 선택된 1종 이상을 포함하여 상기 성분의 농도를 변화시키거나, 20~200V 범위 내에서 인가전압을 변화시켜 형성되는 나노 홀의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 비등방성 결정 구조를 갖는 물질은 산화 마그네슘(MgO), 산화 니켈(NiO), 산화 칼슘(CaO) 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것으로서, 진공증착법, 전자선증착법, 열증착법, 스퍼터링법, 레이저증착법, 유기화학증착법 또는 화학증착법으로 증착하면 도 5에 도시된 바와 같이 결정면의 표면에너지 차이에 의해 자발적으로 표면에 다수의 요철부가 형성된다.
이와 같이 형성된 나노 패턴은 10~500nm 지름을 갖을 수 있으며, 이러한 나노 패턴은 상기 제 1 전극(12)에서 반사되어 광 활성층(14)으로 입사되는 빛을 확산 및 산란시켜 광 활성층(14)의 광 흡수율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 상기 정공 추출층(13)과 광 활성층(14)의 접촉 면적을 증가시킴으로써 전하 수송 거리가 짧아져 유기태양전지의 높은 효율을 기대할 수 있다.
그리고, 상기 양극산화 알루미늄(AAO)과 비등방성 결정구조의 나노 패턴을 롤 형상 나노 임프린테 몰드로 전사하는 물질의 종류로는 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 포토레지스트, 폴리이미드, PDMS, PMMA, 열경화성 수지 또는 자외성 경화형 수지 중 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 입사되는 빛을 산란 및 확산시키는 다수의 나노 패턴이 형성된 정공 추출층(13)은 광 활성층(14)으로 통과하는 빛의 경로를 증가시킴과 동시에 광 활성층(14)과 정공 추출층(13)의 접촉 면적을 증가시켜 전하 캐리어의 이동 경로를 감소시켜 유기태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
다음, 상기 정공 추출층(13)의 상면에 광 활성층(14)을 형성한다.(S50)
상기 광 활성층(14)은 빛을 흡수하여 전자와 정공을 발생할 수 있도록 전자도너와 전자억셉터를 가지며, 정공 추출층(13)의 상면에 형성된다.
상기 광 활성층(14)은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM, ICBA로 이루어진 군에서 1종이 혼합되어 이루어진다.
다음, 상기 광 활성층(14)의 상면에 전자 추출층(15)을 형성한다.(S60)
상기 전자 추출층(15)은 태양 전지 분야에서 일반적으로 알려진 재료들이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 전자 추출층(15) 상면에 음극인 제 2 전극(16)을 형성한다.(S70)
여기서, 상기 제 2 전극(16)은 제 1 전극(12)과 함께 광 활성층(14) 내부에서 발생한 전하들을 받아들여 전위차를 발생하도록 형성되는 것으로서, 투명 전극으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또, 상기 제 2 전극(16)은, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 플렉서블 유기태양전지의 제조방법으로 제조된 나노패턴이 형성된 정공 추출층을 포함하는 플렉서블 유기태양전지를 제공한다.
따라서, 본 발명은 특히 금속으로 이루어지는 플렉서블 기판의 표면 거칠기 문제를 용이하게 해결할 수 있고, 또 유기태양전지 내부에 입사되는 빛을 산란 및 확신시키는 다수의 나노 패턴을 정공 추출층에 형성하여 광 활성층으로 반사되는 빛의 경로를 증가시켜 높은 전류밀도를 형성할 수 있다.
그리고, 광 활성층과 정공 추출층의 접촉면적을 증가시켜 전하 캐리어들이 이동하는 경로를 감소시켜 태양전지의 효율을 향상시킴과 동시에 금속 기반의 플렉서블 기판과 정공 추출층에 다수의 나노 패턴을 형성할 때 롤-투-롤 공정을 이용한 나노 임프린트 방식을 도입하여 높은 생산 속도, 양산화 및 대면적 공정이 가능하여 고성능의 플렉서블 유기태양전지를 저비용으로 제조할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
10 : 모기판 11 : 플렉서블 기판
12 : 제 1 전극(양극) 13 : 정공 추출층
14 : 광 활성층 15 : 전자 추출층
16 : 제 2 전극(음극)
12 : 제 1 전극(양극) 13 : 정공 추출층
14 : 광 활성층 15 : 전자 추출층
16 : 제 2 전극(음극)
Claims (17)
- 플렉서블 기판을 형성하는 단계;
상기 플렉서블 기판상에 반사 양극인 제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상면에 졸-겔 p-type 물질로 정공 추출층을 형성하는 단계;
상기 정공 추출층에 나노패턴을 형성하는 단계;
상기 정공 추출층 상면에 광 활성층을 형성하는 단계;
상기 광 활성층 상면에 전자 추출층을 형성하는 단계; 및
상기 전자 추출층 상면에 음극인 제 2 전극을 형성하는 단계; 를 포함하며,
상기 나노 패턴은 나노 임프린트 몰드를 이용한 임프린팅 방식으로 형성되고,
상기 나노패턴은 양극산화 알루미늄(AAO:Anodized aluminium oxide) 또는, 비등방성 결정 구조를 갖는 물질로부터 전사를 통하여 제작되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 정공 추출층은 졸-겔 산화 텅스텐(WO3), 졸-겔 산화 몰리브데늄(MoO3), 졸-겔 산화 바나듐(V2O5), 졸-겔 산화 니켈(NiO), 졸-겔 산화 구리(CuOx) 등 졸-겔 p-type 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 정공 추출층의 두께는 1nm이상 100nm이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 플렉서블 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA, 및 금속 박막으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 활성층은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM, ICBA로 이루어진 군에서 1종이 혼합된 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 투명 전극으로써, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 금속 박막은 플렉서블 기판으로서 모기판 상에 형성하고 상기 모기판으로부터 분리시켜 접촉되어 있던 분리면 상인 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 금속 박막은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In. Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Zn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, INVAR 및 스테인리스강으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 양극산화 알루미늄(AAO)은 황산, 옥살산, 인산 중에서 선택된 1종 이상을 포함하여 이루어지고, 상기 황산, 옥살산, 인산 중에서 선택된 1종 이상의 성분의 농도를 변화시키거나, 20~200V 범위 내에서 인가전압을 변화시켜 형성되는 나노 홀의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 비등방성 결정 구조를 갖는 물질은 산화 마그네슘(MgO), 산화 니켈(NiO), 산화 칼슘(CaO) 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 진공증착법, 전자선증착법, 열증착법, 스퍼터링법, 레이저증착법, 유기화학증착법 또는 화학증착법으로 증착하여 결정면의 표면에너지 차이에 의해 자발적으로 표면에 다수의 요철부가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노패턴은 10~500nm 지름의 나노 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전사를 위한 물질의 종류로는 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 포토레지스트, 폴리이미드, PDMS, PMMA, 열경화성 수지 또는 자외성 경화형 수지 중 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 모기판은 유리 또는 금속 또는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 모기판 면의 표면거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<Rms<100㎚, 0<Rp -v<1000㎚인 것을 특징으로 하는 플렉서블 유기태양전지의 제조방법. - 제 1 항의 방법으로 제조된 플렉서블 유기태양전지.
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