KR101366843B1 - 고개구율 태양전지 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고개구율 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로 좀 더 상세하게는 상부 기판 및 하부 기판 사이에 초친수성-초소수성의 가역적 변환이 가능한 표면을 포함하는 태양전지 모듈.및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 초친수성과 초소수성의 가역적 변환이 가능한 표면을 통해 기판의 친수성, 소수성을 필요에 따라 조절함으로써 용액공정에 의해 수분산용액과 유기용매분산용액을 필요한 위치에 정밀하게 형성하여, 단위면적당 광이용 효율이 높은 고개구율의 태양전지모듈을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 초친수성과 초소수성의 가역적 변환이 가능한 표면을 통해 기판의 친수성, 소수성을 필요에 따라 조절함으로써 용액공정에 의해 수분산용액과 유기용매분산용액을 필요한 위치에 정밀하게 형성하여, 단위면적당 광이용 효율이 높은 고개구율의 태양전지모듈을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 고개구율 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 화석에너지의 고갈로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는데 그 중에서도 태양에너지를 이용한 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양전지는 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기고분자 태양전지 및 하이브리드 태양전지 등으로 구분된다. 현재 상용화된 대표적인 태양전지인 실리콘 박막태양전지, 화합물박막(GaAs, CuInGaS(Se) 등)태양전지등은 진공증착공정에 의해 제작되고 있으나, 초기 장비설치비, 재료비등의 비중이 높아 저가격화하기에 어려운 측면이 있다. 이에 따라 TiO2광전극 페이스트, 염료 및 전해질 용액을 사용하는 염료감응 태양전지, 단분자 및 고분자 유기반도체 용액을 사용하는 유기반도체 태양전지, 용액공정 화합물반도체 태양전지 및 이들의 혼합형태인 하이브리드 태양전지등 용액공정을 이용하여 초기 투자비 및 재료비를 줄일 수 있는 차세대 태양전지에 대한 연구가 급속도로 이루어지고 있다.
한편 이러한 단위소자를 최종 제품의 형태로 만들기 위해서는 단위소자들을 연결한 형태인 모듈제작이 필요하다. 모듈을 제작하기 위해 하부 투명전극기판과 정공전달층/광활성층, 그리고 최종 상부 전극층과의 정렬(alignment)정도에 따라 실제 전력을 생산할 수 있는 유효면적이 결정되며 이를 개구율이라 한다. 따라서, 최종 모듈제품의 단위면적당 효율을 높이기 위해서는 개구율을 향상시킬 필요가 있다. 그러나, 공정의 용이성, 가격적인 장점과 플렉시블화가 유리한 용액공정(예를 들어 스핀코팅이나, 롤코팅, 슬롯다이코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 등)을 사용하는 태양전지의 모듈제작에서는 이러한 각층과 층간에 일정한 위치에 정렬을 하기가 어렵거나 정렬을 하더라도 용액의 퍼짐성 등으로 인해 정렬의 공정오차가 크기 때문에 공정수율 향상을 위해서 정렬자유도를 크게 두므로 개구율이 줄어들 수밖에 없게 되어 단위소자 자체의 효율을 향상시킨다고 하더라도 최종 제품의 형태인 모듈에서의 효율을 높이는데 한계가 있었다.
이에 본 발명자는 투명전극의 표면에 가역적인 초친수성 (또는 초소수성) 표면처리층을 사전에 형성시켜 용액 코팅시에는 정렬기능이 없이도 원하는 위치에 코팅하여 고개구율의 태양전지모듈을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 용액공정을 이용하는 태양전지 모듈제작에 있어 초친수성과 초소수성의 가역적 변환이 가능한 표면처리층을 통해 기판의 친수성, 소수성을 필요에 따라 조절함으로써 단위면적당 광이용 효율이 높은 고개구율의 태양전지모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구체예에서 상부 기판 및 하부 기판 사이에 초친수성-초소수성의 가역적 변환이 가능한 표면을 포함하는 태양전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 가역적 변환이 가능한 표면은 이에 한정하지 않지만 ZnO, TiO2, SnO2 및 WOx로 이주어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성(photoresponsible) 산화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 가역적 변환이 가능한 표면은 이에 한정하지 않지만 나노파티클, 나노로드, 나노와이어 및 나노리본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 나노구조체층을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 가역적 변환이 가능한 표면은 이에 한정하지 않지만 아조벤젠(azobenzene), 스피로피란(spiropyran) 및 티민(thymine) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 태양전지는 이에 한정하지 않지만 염료감응형 태양전지, 유기반도체형 태양전지, 화합물 반도체형 태양전지 및 하이브리드 태양전지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
일 구체예에서 상부기판과 하부기판으로 이루어진 태양전지 모듈에 있어서, 하부기판 상에 투명전극의 패턴을 형성하는 단계; 상기 투명전극의 패턴 사이에 초친수성-초소수성의 가역적 변환이 가능한 표면을 형성하시켜 광활성 영역을 형성하는 단계; 제 1마스킹 공정을 통하여 수분산 전도성 고분자를 형성시켜 전하전달층을 형성하는 단계; 상기 수분산 전도성 고분자 전하전달층에 제 2 마스킹을 통하여 비활성영역에 초친수성으로 시키고 유기용매분산 광활성층을 도포하는 단계; 및 상기 광활성층 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 전하전달층을 형성하는 단계 및 광활성층을 도포하는 단계는 스프레이, 스핀코팅, 닥터블레이드, 스크린프린팅, 딥코팅, 롤코팅, 슬롯다이코팅 및 잉크젯으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법인 것을 특징으로 하고, 상기 태양전지는 이에 한정하지 않지만 염료감응형 태양전지, 유기반도체형 태양전지, 화합물 반도체형 태양전지 및 하이브리드 태양전지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 가역적 변환이 가능한 표면은 이에 한정하지 않지만 ZnO, TiO2, SnO2 및 WOx로 이주어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성(photoresponsible) 산화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 가역적 변환이 가능한 표면은 이에 한정하지 않지만 나노파티클, 나노로드, 나노와이어 및 나노리본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 나노구조체층을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 가역적 변환이 가능한 표면은 이에 한정하지 않지만 아조벤젠(azobenzene), 스피로피란(spiropyran) 및 티민(thymine) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 염료감응형 태양전지의 염료는 카바졸계, 쿠마린계 또는 디페닐아닐린계열의 유기화합물 염료, 루테늄(Ru)계열의 유기금속화합물 염료 등을 사용할 수 있고, 상기 유기반도체형 태양전지의 광활성 유기반도체 혼합재료로는 P3HT:PCBM, PCDTBT:PC71BM, PTB7:PC71BM, P3HT:ICBA 등을 사용할 수 있으며, 상기 화합물반도체형 태양전지의 재료로는 GaAs, CuInGaS(Se), CuZnSnS(Se), GaP, AlSb, InP, In2Se3, In2Te3, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, Bi2S3, Cu2S, MoSe2, WSe2, Cu2O, CuO, GaN 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 광활성층은 잉크, 페이스트, 고분자혼합물 등의 용액상태로부터 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 표면은 ZnO, TiO2, SnO2 및 WOx로 이주어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성(photoresponsible) 산화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 표면은 나노파티클, 나노로드, 나노와이어 및 나노리본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 나노구조체층을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 표면은 아조벤젠(azobenzene), 스피로피란(spiropyran) 및 티민(thymine) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 "가역적 표면처리층"은 목적하는 기판 표면을 초친수성과 초소수성의 가역적 변환이 가능하도록 처리한 것을 의미한다.
본 발명에 의하면, 초친수성과 초소수성의 가역적 변환이 가능한 표면을 통해 기판의 친수성, 소수성을 필요에 따라 조절함으로써 용액공정에 의해 수분산용액과 유기용매분산용액을 필요한 위치에 정밀하게 형성하여, 단위면적당 광이용 효율이 높은 고개구율의 태양전지모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 (가)비활성영역에 형성된 ZnO 나노로드의 형상 및 (나) ZnO 나노로드표면에 대해 UV조사 유무에 대한 접촉각 측정결과를 나타낸다.
도 2은 가역적 표면처리층의 예로서 (가) TiO2나노로드의 형상 및 (나) UV조사 유무에 대한 접촉각 측정결과를 나타낸다.
도 3은 가역적 표면처리층의 예로써 (가) 기판상에 형성된 나노 형상 (간격 40마이크로미터) 및 (나) 그 상부에 형성되는 아조벤젠 화합물의 UV-Vis에 의한 시스(cis)-트랜스(trans)가역반응 (다) UV-Vis조사에 따른 접촉각 측정결과를 나타낸다.
도 4는 종래의 태양전지 모듈의 구성을 나타낸다.
도 5은 종래의 태양전지 모듈에 대한 단면구성도(도 4에서 A-A'단면)를 나타낸다.
도 6은 실시예1에 대한 공정 순서도를 나타낸다.
도 7은 도 6의 공정 순서도에 따른 공정 모식도를 나타낸다.
도 2은 가역적 표면처리층의 예로서 (가) TiO2나노로드의 형상 및 (나) UV조사 유무에 대한 접촉각 측정결과를 나타낸다.
도 3은 가역적 표면처리층의 예로써 (가) 기판상에 형성된 나노 형상 (간격 40마이크로미터) 및 (나) 그 상부에 형성되는 아조벤젠 화합물의 UV-Vis에 의한 시스(cis)-트랜스(trans)가역반응 (다) UV-Vis조사에 따른 접촉각 측정결과를 나타낸다.
도 4는 종래의 태양전지 모듈의 구성을 나타낸다.
도 5은 종래의 태양전지 모듈에 대한 단면구성도(도 4에서 A-A'단면)를 나타낸다.
도 6은 실시예1에 대한 공정 순서도를 나타낸다.
도 7은 도 6의 공정 순서도에 따른 공정 모식도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다. 본 실시예에서는 용액공정을 적용하는 상기에 기술한 태양전지 중 유기반도체재료를 사용하는 유기반도체 태양전지에 대해 기술하지만,이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 용액공정을 사용하여 광활성층을 형성하는 태양전지에 일반적으로 적용할 수 있는 것은 주지의 사실이다.
실시예
실시예
1.
ZnO
나노로드를
이용한 유기반도체 태양전지 모듈의 제조
일반적인 유기반도체 태양전지 모듈을 제작하기 위해서는 기판/투명전극층/정공전달층(PEDOT:PSS와 같은 수분산 전도성고분자)/광활성층(P3HT:PCBM, PCDTBT:PC71BM, PTB7:PC71BM, P3HT:ICBA 등과 같은 광활성 유기반도체혼합재료를 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 톨루엔 등과 같은 벤젠계 용매에 녹인 코팅물)/전자전달층/상부전극(LiF/Al, Ca/Al, Al등) 의 구조로 구성된다.
본 발명의 실시예에서는 투명전극이 형성된 기판에 ZnO를 스퍼터 등과 같은 물리적 증착법 또는 ZnO sol을 스크린프린팅, 잉크젯 등의 방법으로 원하는 위치에 10~100nm두께로 코팅하여 시드(seed)층을 형성하였다. ZnO 시드층이 형성된 기판을 0.025몰Zn(NO3)2.H2O 와 0.025몰 ((CH2)6N4) 이 혼합된 프리커서 용액에 담그고 90 ℃에서 3시간 정도 두면 ZnO 시드층 상에 ZnO 나노로드가 도1과 같이 형성되며, 형성된 ZnO 나노로드는 세정 후 건조하였다.
정공전달층인 수분산 전도성 고분자층을 원하는 위치에 형성하기 위해 미리 형성된 ZnO 나노로드 영역에만 마스킹 등을 통해 가리고 나머지 부분에만 UV-O3처리를 실시하였다. UV-O3 처리에 의해 투명전극층(일반적으로 ITO)은 친수성이 되어 수분산 전도성 고분자인PEDOT:PSS의 코팅이 용이하게 되었다.
또한, 마스크로 가려진 ZnO 나노로드 영역은 초소수성이 되어 PEDOT:PSS와 같은 수분산 코팅액이 형성되지 않았다.
그 다음 상부층인 광활성층을 형성하였다. 우선 마스킹을 통해 PEDOT:PSS정공전달층이 형성된 영역을 가리고, ZnO 나노로드 영역에만 UV조사를 실시하면, 이 부분만 초친수성으로 변성되어 벤젠계 용매에 녹아있는 광활성층은 PEDOT:PSS상부에만 코팅되게 된다.
따라서, 간단한 조작으로 초친수성과 초소수성을 자유롭게 구현할 수 있으므로 코팅용액의 특성에 따라 조절하여 적용할 수 있음을 확인하였다. 최종적으로 Al과 같은 상부전극층을 진공증착을 통하여 형성한다.
그 결과, 통상 100X100크기의 기판에 기존의 방식으로 모듈 제작 시 약 50~60%정도(비활성층영역(alignment margin)폭 약 3~4mm)만 유효광전변환영역 개구율을 가졌으나, 본 실시예에 따르면 약 80%정도(비활성층영역폭 약 0.5mm이하)의 고개구율 모듈을 제작할 수 있음을 확인하였다(표 1).
| 전체 (100x100=10000 mm2) 기판면적 중에서 |
종래의 모듈 | 실시예 1의 모듈 |
| 패드부에 의한 무효광전영역 | 약 16% (40 x 40 = 1600 mm2) | |
| Alignment margin에 의한 무효광전영역 ( margin폭/광활성영역폭) | 약 3mm/10mm=30% | 약 0.5mm/10mm=5% |
| 전체 유효광전변환영역 개구율1) | 54% | 79% |
1)전체 유효광전변환영역 개구율= 100% - 패드부에 의한 무효광전영역 - Alignment margin에 의한 무효광전영역 %( margin폭/광활성영역폭)
따라서, 동일한 모듈 면적에서 향상된 전력을 생산할 수 있는 고효율 모듈이 가능하다. 본 실시예에서는 일반적인 normal 구조의 유기태양전지 모듈의 경우를 예시하였으나, 본 발명은 기판/전자전달층/광활성층(P3HT:PCBM, PCDTBT:PC71BM, PTB7:PC71BM, P3HT:ICBA 등과 같은 광활성 유기반도체혼합재료를 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 톨루엔 등과 같은 벤젠계 용매에 녹인 코팅물)/정공전달층/상부전극과 같은invert구조의 유기태양전지 모듈에도 적용 가능한 기술이다.
실시예
2.
TiO
2
나노로드를
이용한 유기반도체 태양전지 모듈의 제조
원하는 위치에 마스킹이 된 세정된 기판을 NaCl로 포화된 0.15몰 TiCl3 (titanium trichloride) 수용액에 담근 후 이를 가압반응기(autoclave)에 넣고 160℃ 2시간 정도 두면 도 3과 같은 TiO2 나노로드가 형성된다. 이하 모듈제조공정은 실시예1에서 언급한 방식과 동일하다.
TiO2 나노로드를 이용한 유기반도체 태양전지 모듈의 제조한 후, 유효광전변환영역의 개구율을 측정한 결과, 실시예 1에서와 같이 약 80%정도(비활성층영역폭 약 0.5mm이하)의 고개구율 모듈을 제작할 수 있음을 확인하였다.
실시예
3.
아조벤젠화합물을
이용한 모듈의 제조
기판의 원하는 위치에 도3의 (가)와 같이 40마이크로미터 간격의 나노형상을 PDMS 나노임프린트 등을 통해 형성한 후 그 상부에 아조벤젠화합물을 코팅하여 형성한다. 이하 유기반도체 태양전지모듈제조공정은 실시예 1과 동일하나, UV광(365nm) 과 Vis (495nm)를 통해 친수성-소수성 특성을 제어하는 부분만 차이가 있다.
아조벤젠화합물을 이용한 모듈의 제조 후, 유효광전변환영역의 개구율을 측정한 결과, 실시예 1에서와 같이 약 80%정도(비활성층영역폭 약 0.5mm이하)의 고개구율 모듈을 제작할 수 있음을 확인하였다.
Claims (11)
- 상부 기판 및 하부 기판 사이에 초친수성-초소수성의 가역적 변환이 가능한 나노구조체 층을 포함하며,
상기 나노구조체 층은 모듈 내의 단위 소자를 서로 구분하며,
상기 나노구조체 층은 광응답성(photoresponsible)으로, 광조사시 초친수성-초소수성의 가역적 변환을 일으켜 상부 기판 및 하부 기판 사이의 층들이 목적한 위치에 정렬되게 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 나노구조체 층이 ZnO, TiO2, SnO2 및 WOx로 이주어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성 산화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 나노구조체 층이 나노파티클, 나노로드, 나노와이어 및 나노리본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 나노구조체 층이 아조벤젠(azobenzene), 스피로피란(spiropyran) 및 티민(thymine) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 태양전지는 염료감응형 태양전지, 유기반도체형 태양전지, 화합물 반도체형 태양전지 및 하이브리드 태양전지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈. - 상부 기판과 하부 기판으로 이루어진 태양전지 모듈에 있어서,
하부기판 상에 투명전극의 패턴을 형성하는 단계;
상기 투명전극의 패턴 사이에 초친수성-초소수성의 가역적 변환이 가능한 나노구조체 층을 형성시켜 광활성 영역을 형성하는 단계;
제1 마스킹 공정을 통하여 수분산 전도성 고분자를 형성시켜 전하전달층을 형성하는 단계;
상기 수분산 전도성 고분자 전하전달층에 제 2 마스킹 공정을 통하여 비활성영역을 초친수성화 시키고 유기용매분산 광활성층을 도포하는 단계; 및
상기 광활성층 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 나노구조체 층은 모듈 내의 단위 소자를 서로 구분하며,
상기 나노구조체 층은 광응답성으로서, 광조사시 초친수성-초소수성의 가역적 변환을 일으켜 상부 기판 및 하부 기판 사이의 층들이 목적한 위치에 정렬되게 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법. - 제 6항에 있어서,
상기 전하전달층을 형성하는 단계 및 광활성층을 도포하는 단계는 스프레이, 스핀코팅, 닥터블레이드, 스크린프린팅, 딥코팅, 롤코팅, 슬롯다이코팅 및 잉크젯으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법. - 제 6항에 있어서,
상기 태양전지는 염료감응형 태양전지, 유기반도체형 태양전지, 화합물 반도체형 태양전지 및 하이브리드 태양전지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법. - 제 6항에 있어서,
상기 나노구조체 층이 ZnO, TiO2, SnO2 및 WOx로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성 산화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법. - 제 6항에 있어서,
상기 나노구조체 층이 나노파티클, 나노로드, 나노와이어 및 나노리본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법. - 제 6항에 있어서,
상기 나노구조체 층이 아조벤젠(azobenzene), 스피로피란(spiropyran) 및 티민(thymine)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 광응답성 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법.
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|---|---|---|---|---|
| JP2005291026A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Seiko Epson Corp | 自己屈曲薄膜及び運動装置 |
| KR20120033555A (ko) * | 2010-09-30 | 2012-04-09 | 한국과학기술연구원 | 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법 |
| KR20120055405A (ko) * | 2010-11-23 | 2012-05-31 | 건국대학교 산학협력단 | 인버티드 구조의 유기태양전지 및 그 제조방법 |
| KR20120067639A (ko) * | 2010-12-16 | 2012-06-26 | 한국생산기술연구원 | 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법 |
-
2012
- 2012-11-13 KR KR1020120128345A patent/KR101366843B1/ko active IP Right Grant
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