KR101406882B1 - 텍스쳐링 표면을 가진 투명 필름을 이용한 유기 박막 태양전지 - Google Patents

Abstract

유기 박막 태양전지는, 기판과, 기판 위에 형성되고, 요철 표면을 가지는 텍스쳐링 필름(texturing film)을 포함한다. 요철 표면은 유기 박막 태양전지에 포함된 광 활성층 내부에서의 빛의 이동거리를 증가시킬 수 있다.

Description

텍스쳐링 표면을 가진 투명 필름을 이용한 유기 박막 태양전지{Organic thin-film photovoltaic cell using transparent texturing film}

본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 텍스쳐링 표면을 가진 투명 필름을 이용한 유기 박막 태양전지에 관한 것이다.

유기 태양전지(유기물 태양전지)(organic photovoltaic device, OPV)는 비용 효율이 높은 제조 가능성, 및 휴대가능하고 유연한 재생 에너지원이기 때문에 많은 관심을 얻고 있다. 최근에, AM(air mass) 1.5 조건하에서 6(%) 또는 8(%)를 초과하는 전체 에너지 변환 효율(광 변환 효율 또는 전력 변환 효율, power conversion efficiency; PCE)을 가지는 유기 태양전지가 보고되었다. 그러나 약 100(nm) 두께의 얇은 활성층(active layer)의 약한 흡수는 태양전지의 효율 증가를 제한하고 있다. 활성층의 두께의 증가는 광자(photon) 흡수를 증가하는 간단한 방식인 것 같지만 활성층 두께와 전하 수집(charge collection) 사이의 트레이드오프(trade-off)는 활성층 두께를 제한한다. 광자 흡수를 증가시키는 전략들(방법들) 중 하나는 빛 가둠 구조(light trapping structure)를 채택하여 활성층 내에서 빛의 이동을 늘이고 유효 광 경로 길이를 증가시키는 것이다. 비록 빛 가둠 접근(방법)이 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 무기물 태양 전지 측면에서 광범위하게 연구되고 있지만, 나노미터의 얇은 필름 내에서 동작하는 유기물 태양 전지(유기 박막 태양전지)를 위한 접근은 다르게 취급되어야 한다.

이전에, 박막 형태의 태양전지에 적용하는 빛 가둠 구조는, 매설된 나노 전극들(nano-electrodes), 마이크로 프리즘(micro prism), 회절 격자(diffraction grating), 및 6각형의 어레이 패턴(hexagonal array pattern)을 이용하였다. 한편, 활성층을 직접 처리하여 평평한 기판 위의 회절 격자 및 광결정 기하학 구조와 같은 마이크로미터 이하의 수치(feature)를 가지도록 한 간단한 활성층 구성(topology)이 또한 보고되었다. 상기 구성에서 일반적인 빛 흡수 전략은 텍스쳐링(texturing)된 기판 또는 활성층을 가지는 후면 전극(back electrode) 구조에 의해 수직 입사광을 비스듬게 반사하거나 또는 회절시키는 것이다. 따라서 후면 전극으로부터 반사된 빛의 광 경로 길이는 수직으로 반사하는 경우 보다 길어지고 이로 인해 활성층 내의 흡수가 증가하게 된다. 다른 구조적인 빛 가둠 접근은 두 개의 평면 전지들을 서로를 향해 접어 한 전지가 다른 이웃하는 전지로부터의 반사된 빛을 흡수하도록 유도하는 것이다. 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array)를 이용하여 입사광을 포커싱(focusing)하고 포커싱된 입사광을 내부 거울들로 가두는(trap) 것이 또한 시도되었다. 그러나 다양한 다른 방식의 빛 가둠 구성이 전류 밀도의 증가를 나타낸다는 사실에도 불구하고, 해결해야 할 몇 가지 문제점들이 있다. 이하, 이전 연구에서 나타난 몇 가지 문제들이 언급된다.

1) 텍스쳐된 몰드(텍스쳐된 주형)(textured mold)를 통해 활성층을 텍스쳐링(imprinting)하는 동안 표면 오염으로부터 전기적 결함(electrical defect)이 발생할 수 있다. 2) 거친 표면 위에 균일한 두께의 활성층을 코팅하는 것은 어려운 일이다. 3) 파장이하(sub-wavelength)의 두께를 갖는 구조의 파장 의존성은 광 흡수를 증가하는 범위를 제한한다. 4) 일부 접근은 공통 제조 공정 및 대규모 응용의 호환성에 있어서 약하다. 5) 태양의 움직임으로 간주될 수 있는 입사광의 각도가 입사평면에 대해 수직이 아닐 때, 그 구조를 가지는 태양전지의 성능이 매우 떨어질 수 있으며 이와 같은 입사각에 대한 구조(구성)(performance)가 주의 깊게 연구되지 않았다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 간단하고 효율적인 빛 가둠 구조(light trapping configuration)인 텍스쳐링 필름이 기판의 상부에 적층(lamination)되는 유기 박막 태양전지를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 유기 박막 태양전지는, 기판; 및 상기 기판 위에 형성되고, 요철 표면을 가지는 텍스쳐링 필름(texturing film)을 포함할 수 있으며, 상기 요철 표면은 상기 유기 박막 태양전지에 포함된 광 활성층 내부에서의 빛의 이동거리를 증가시킬 수 있다.

상기 유기 박막 태양전지는, 상기 입사광을 반사하는 반사전극을 더 포함할 수 있으며, 상기 반사전극은 은(Ag)을 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 박막 태양전지는, 기판; 및 상기 기판 위에 형성되고, 1차원 V자형 홈(groove)들을 가지는 상부를 포함하는 텍스쳐링 필름(texturing film)을 포함할 수 있으며, 상기 1차원 V자형 홈(groove)들은 상기 유기 박막 태양전지에 포함된 광 활성층 내부에서의 빛의 이동거리를 증가시킬 수 있다.

상기 V자형 홈들 사이의 각도인 꼭짓점 각도는 조절될 수 있다. 상기 꼭짓점 각도는 80°이상이고 120°이하일 수 있다. 상기 유기 박막 태양전지는, 상기 기판 및 상기 광 활성층 사이에 형성되는 투명 전극; 및 상기 광 활성층 아래에 형성되는 반사 전극을 더 포함할 수 있으며, 상기 반사 전극은 은(Ag)을 포함할 수 있다.

상기 텍스쳐링 필름의 두께는 조절될 수 있다. 상기 유기 박막 태양전지는 도립형 구조를 가질 수 있다. 상기 V자형 홈들은 상기 V자형 홈들 각각의 중심선을 기준으로 대칭이거나 또는 비대칭일 수 있다.

본 발명에 따른 텍스쳐링 표면을 가진 투명 필름을 이용한 유기 박막 태양전지(유기 박막형 태양 전지)는 유기 박막 태양전지에 입사되는 입사광의 반사광을 가둘 수 있는(trap) 텍스쳐링 필름을 포함하므로, 유기 박막 태양전지에 포함된 광 활성층 내부로 빛을 돌아가게 해 활성층 내부에서 빛이 다중으로 흡수되도록, 빛을 트랩(포획)(trap)할 수 있다. 그 결과, 유기 박막 태양전지의 광 흡수 또는 단락 전류밀도(Jsc)가 증가되므로, 본 발명은 유기 박막 태양전지의 에너지 변환 효율(power conversion efficiency)을 개선시킬 수 있다.

본 발명은 기판의 상부에 형성되고 빛의 산란 효과를 이용하는 빛 가둠 구조인 텍스쳐링 필름을 포함하므로, 기존의 빛 가둠 구조들에서 많이 나타나는 태양전지의 전기적인 결함(direct electrical influence)을 방지할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1a는 본 발명의 실시예로, 표면에서 빛을 Lambertian 분포로 산란하는 이상적인 이상적인 유기 박막 태양전지 모델을 나타내는 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 유기 박막 태양전지의 실제적인 실시예에서 내부 반사광이 이탈할 수 있는 경우를 설명하는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 유기 박막 태양전지(100)를 나타내는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 유기 박막 태양전지에서, 텍스쳐링된 필름이 랜덤하게 빛을 산란시킬 때 그에 따른 전반사 및 빛 가둠 현상을 설명하는 도면이다.
도 3a는 도 1a 또는 도 2a의 유기 박막 태양전지 실시예의 전류(또는 전류밀도, J)-전압(V) 특성을 나타내는 그래프(graph)이다.
도 3b는 도 1a 또는 도 2a의 유기 박막 태양전지 실시예의 전류-전압 특성을 설명하는 도표(table)이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1a 또는 도 2a의 텍스쳐링 필름 실시예로서, 랜덤 텍스쳐를 갖는 필름의 표면에 대한 주사 전자 현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진(image)이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 4a 또는 도 4b의 텍스쳐링 필름 실시예를 통과하는 레이저 스폿(laser spot)의 광 이미지이다.
도 6a는 도 4a 또는 도 4b에 도시된 랜던 텍스쳐 필름을 포함하는 도 2a의 유기 박막 태양전지의 실시예에 따른 전류-전압 특성을 나타내는 그래프(graph)이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 유기 박막 태양전지의 실시예에 따른 전류-전압 특성을 설명하는 도표(table)이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, V자형 필름을 부착한 유기 박막 태양 전지(200)를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 유기 박막 태양 전지(200)에서의 광 분석을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 유기 박막 태양전지(200)의 빛 가둠 경로(pathway)를 설명하는 도면이다.
도 10은 도 8에서 빛이 R1 영역을 진행할 때 빛의 입사각 및 꼭짓점 각에 따른 빛 진행 각을 설명하는 도표(table)이다.
도 11a는 도 7의 태양 전지의 기판 및 필름 두께에 따른 단락전류밀도(Jsc) 값을 텍스쳐 필름이 없는 대조군 태양전지의 Jsc에 대해 정규화한 값을 나타내는 그래프(graph)이다.
도 11b는 θ_v=90°일 때 θ_i 에 따른 도 7의 태양 전지의 기판 및 필름 두께에 따른 단락전류밀도(Jsc) 값을 텍스쳐 필름이 없는 대조군 태양전지의 Jsc에 대해 정규화한 값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 7의 유기 박막 태양전지 실시예의 꼭짓점 각에 따른 단락전류밀도 증가 특성을 나타내는 그래프(graph)이다.
도 13은 도 7의 유기 박막 태양전지 실시예의 꼭짓점 각에 따른 광 흡수율 증가를 설명하는 그래프이다.
도 14a는 도 7의 유기 박막 태양전지 실시예의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프(graph)이다.
도 14b는 도 7의 유기 박막 태양전지 실시예의 전류-전압 특성을 설명하는 도표(table)이다.
도 15a는 도 7의 유기 박막 태양전지의 다른 실시예에 따른 전류-전압 특성을 나타내는 그래프(graph)이다.
도 15b는 도 7의 유기 박막 태양전지의 다른 실시예에 따른 전류-전압 특성을 설명하는 도표(table)이다.
도 16은 도 7에 도시된 V자형 홈(groove) 필름에 대한 SEM 이미지이다.

본 발명 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.

도 1a는 본 발명의 실시예로, 표면에서 빛을 Lambertian 분포로 산란하는 이상적인 이상적인 유기 박막 태양전지 모델을 나타내는 단면도이다.

도 1a를 참조하면, 상기 유기 박막 태양전지는 고분자 유기 태양전지로서 광 활성층(광 흡수층, Cell absorption) 상부에 배치(형성된) 기판(미도시) 위에 형성되는 요철 표면을 가지는 텍스쳐링 필름을 포함한다. 기판은 예를 들어 폴리이미드(polyimide)를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리(glass) 기판일 수 있다.

텍스쳐링 필름은 랜덤(random)하게 텍스쳐링된 필름으로서 예를 들어 PDMS(poly(dimethylsiloxane)) 필름과 같은 투명한 플라스틱 필름, 또는 유리일 수 있다. 텍스쳐링 필름의 텍스쳐링은 다양한 굵기의 사포(紗布), 다양한 크기의 연마 필름(Polishing film), 디퓨저(Diffuser), 또는 레이저가 이용되어 거칠게(roughly) 텍스쳐링될 수 있다. 텍스처링 필름은 기판에 직접 가공하여 구현될 수도 있다.

상기 요철 표면은 텍스쳐링 필름 및 기판을 통해 유기 박막 태양전지에 포함된 광 활성층(Cell absorption)에 입사되는 입사광의 반사광 및 상기 반사광에 뒤따른 반사광을 전반사(Total internal reflection)(빛의 전반사)를 통해 연속적으로 트랩(trap)하여 광 활성층 내부에서의 빛의 반복적인 흡수와, 그에 따른 이동거리(광 경로 길이)를 증가시킨다. 요철 표면(요철부)은 랜덤한 요철 표면으로서 사포(sandpaper)처럼 오목 부분 및 볼록 부분을 가지도록 랜덤하게 텍스쳐링된 표면을 의미한다.

도 1a에 도시된 유기 박막 태양전지와 관련된 램버트 산란(Lambertian scattering)의 효과를 설명한다. 유기 박막 태양전지에 포함된 다층에서 빛의 흡수는 간섭성(coherency)에 따라 전이-매트릭스 포멀리즘(transfer-matrix formalism)(TMF)으로 계산되고 빛은 기판 내부로 간섭을 받지 않고 전파되는 것으로 가정된다.

유리 기판의 앞쪽(front side)은 램버트 표면(Lambertian surface)을 이루며, 유리 기판의 앞쪽은 도 1a에 도시된 바와 같이 Lambertian 분포(distribution)에 따라 입사광을 산란시키는 이상적인 가상의 평평한 표면으로 가정된다. 각각의 산란된 빛들은 아래의 전지(PV, Photovoltaic)의 광 활성층(Cell absorption)에서 부분적으로 흡수되고 나머지는 반사되고 다시 산란 면에 부딪친다. 그 다음, 텍스쳐링 필름을 포함하는 유리 기판의 임계각(critical angle)보다 작은 전파 각도(진행 각도)(propagation angle)를 가진 일부 빛들은 전지를 탈출하고 임계각보다 큰 전파 각도를 가지는 다른 빛들은 산란 면에서 반사되고 다시 Lambertian 분포를 가지고 광 활성층을 향해 다시 산란된다고 가정된다. 이런 방식으로, 각 빛은 유기 박막 태양전지(PV) 내로 평균적으로 2.25 번(회) 더 들어올 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른, 텍스쳐링 필름이 위에 형성된 glass (Lambertian surface) / ITO / PEDOT:PSS(40nm) / PCDTBT:PC₇₀BM(60nm) / TiO_x(20nm) / Al 구조를 가지는 태양전지는 텍스쳐링 필름이 위에 형성되지 않은 평평한 유리 기판을 가지는 동일한 구성의 전지와 비교할 때, 본 발명의 실시예는 약 8(%)인 단락 전류밀도(Jsc)의 증가를 가질 수 있다. 단락전류 밀도(Jsc)(유기 태양전지의 전극들 사이의 전압이 0일 때의 단락회로 전류량(광 전류량))는 산란 유리(scattering glass)/ ITO / PEDOT:PSS(40nm)/ PCDTBT:PC₇₀BM(60nm) / TiO_x(20nm) /알루미늄의 구조의 경우 11.1mA/cm²에서 12.0mA/cm²로 증가된다. ITO(indium tin oxide: ITO)는 유기 박막 태양전지의 투명 전극에 포함된 물질이고 PEDOT:PSS은 유기 박막 태양전지의 정공 수송 층(또는 전도성 고분자 층)에 포함된 전도성 고분자 물질이고 PCDTBT(poly [N-900-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(40,70-di-2-thienyl-20,10,30-benzothiadiazole)]):PC₇₀BM([6,6]-phenyl C71 butyric acid methyl ester)은 벌크 이질 (bulk heterojunction) 구조 층으로서 유기 박막 태양전지의 광 활성층에 포함된 물질이고 TiO_x는 유기 박막 태양전지의 전자 수송 층에 포함된 물질이고 알루미늄은 유기 박막 태양전지의 후면전극(금속전극)인 반사전극에 포함된 물질일 수 있다. PEDOT:PSS는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)를 의미한다.

즉, 본 발명의 실시예에 있어서, 기판 위에 양극(anode)의 역할을 수행할 수 있는 투명 전극(투명 전극 층), 정공 수송 층, 광 활성층, 전자 수송 층, 및 음극(cathode)의 역할을 수행할 수 있는 반사전극(반사 전극 층)은 순서대로 적층된다. 정공 수송 층 및 전자 수송 층은 유기 박막 태양전지의 동작을 위해 반드시 필요한 것은 아니므로, 유기 박막 태양전지에서 제거(생략)될 수 있다. 본 발명의 실시예는 유기물 층인 광활성 층에서 생성된 전하 중 전자는 반사전극으로 이동하고 정공은 투명전극으로 이동하는 통상구조(normal 구조) 유기 박막 태양전지일 수 있다. 반대로 전자 및 정공이 이동하는 경우는 도립형 구조(inverted structure) 유기 박막 태양전지로 언급될 수 있다. 여기서, 통상형 구조(통상 구조)는 유기 태양전지의 경우 역사적으로 많이 쓰여온 양극이 기판에 가까운 구조를 일컬으며, 도립형 구조는 이와 반대로 음극이 기판에 가깝게 형성되는 구조를 일컬으며, 본 명세서에서 별도의 표시가 없는 한 상기의 의미로 사용된다.

전술한 PCDTBT:PC₇₀BM을 포함하는 본 발명의 실시예인 유기 박막 태양전지가 다음과 같이 설명된다.

본 발명인 랜덤하게 텍스쳐링된 필름을 위한 몰드(mold)로 샌드페이퍼(sandpaper)와 유사한 섬유 폴리싱 필름(fiber polishing film)(Thorlabs, LFGxP, 상기 x는 그릿 크기(grit size)를 지시함)이 이용된다. 그릿 크기가 1(μm) 또는 5(μm)인 연마 필름(polishing film)은 poly(dimethylsiloxane)(PDMS)를 이용하여 제작되고 연마 필름의 두께는 약 0.5(mm)이다. 연마 필름에 의해 제조되는 텍스쳐링 필름이 입사광이 나오는 유리 기판의 뒤쪽에 부착된다. 모든 측정은 모든 타입의 텍스쳐링 필름을 위한 태양전지 개별 특성 변화 효과를 무시하는 동일한 태양전지에서 수행된다. 도 3a 및 도 3b 또는 도 6a 및 도 6b로부터 알 수 있는 바와 같이, 랜덤 텍스쳐링 필름을 가지는 태양전지의 단락 전류 밀도(Jsc) 및 에너지 변환 효율(PCE) 둘다 증가를 나타낸다. 외부 빛 가둠 구성(랜덤하게 텍스쳐링된 필름)의 장점으로서 Fill Factor(FF) 및 유기 태양전지의 전극들 사이의 개방 전압(open circuit voltage, Voc)와 같은 다른 전기적 파라미터는 거의 일정하다. Fill Factor(FF)는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp)을 Voc와Jsc의 곱으로 나눈 값일 수 있다.

랜덤하게 텍스쳐된 필름을 통해 입사광을 산란시키는 이점을 설명하기 위하여, 각 텍스쳐링 필름의 헤이즈 팩터(haze factor)가 측정된다. 헤이즈 팩터 측정은 필름의 산란값(diffuse)과 필름의 전체 투과값(total transmission)의 비율에 의해 정의되고, 헤이즈 팩터 측정은 입사광이 텍스쳐된 필름을 통해 통과한 후에 산란되는 입사광의 양을 양적으로 분석할 수 있다. 총 투과값은 적분구(integrating sphere)를 통해 측정되고 산란광(diffused light)은 총 투과값으로부터 측정된 직접 투과값을 빼는 것에 의해 계산될 수 있다. 도 4a 및 도 4b에서 다른 그릿 크기를 가지는 텍스쳐링 필름이 도시된다. 산란을 시각화하기 위하여, 각 텍스쳐링 필름을 통해 통과한 후의 그린 레이저(=532(nm)) 스팟(green laser spot)의 포토 이미지(사진 영상, photo image)가 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 촬영된다. 보다 높은 헤이즈 값(haze value)을 가지는 필름이 효과적인 빛 산란을 위한 증거로서 보다 흐릿한(foggier) 레이저 스팟을 보여준다. 이러한 입사광 산란은 결과적으로 흡수를 위한 광 경로 길이를 길게 하고 단락전류밀도(Jsc) 증가를 초래한다. 실제로, 보다 높은 헤이즈 값을 가지는 필름은 일반적으로 보다 많은 단락 전류밀도(Jsc) 증가를 유도한다.

그러나 도 1a의 랜덤하게 텍스쳐링(random texturing)된 필름의 이용을 통한 단락전류밀도(Jsc) 증가의 절대 백분율(absolute percentage)은 실제로 구현될 경우에 그 값이 기대치보다 작을 수 있다. 그림 1a에 설명된 이상적 구조에서는 이탈 확률(escape probability)은 이상적인 평평한 램버시안 표면(Lambertian surface, 완전 확산면)과 반사광 사이의 각도에 따라 전반사 여부가 결정되는 을 위한 한 번(single event)의 비교에 의해 결정된다. 그러나 텍스쳐링 필름의 마이크로 구조를 가지는 실제 표면의 경우 연속적인 다중 반사광(multiple events)의 발생들이 일어날 수 있고, 상기 연속적인 다중 반사광들인 내부적으로 반사된 빛들은 비록 첫 번째 표면에서 전반사 일어났더라도 도 1b에 도시된 바와 같이 가까운 표면을 통해 태양전지를 이탈할 수 있다. 유리를 통한 이탈 확률은 각 반사에서 0.44(=1/n²)로 매우 높으므로, 이탈 확률은 다중 반사 후 보다 증가할 수 있다. 이러한 이유 때문에, 다중 빛의 전파들(multiple propagations)은 실제적인 경우에 있어서 내부 빛을 가두는(trap) 기술을 달성하기 어렵게 할 수 있다.

도 1b는 도 1a에 도시된 유기 박막 태양전지의 실제적인 실시예에서 내부 반사광이 이탈(escape)할 수 있는 경우를 설명하는 도면이다. 도 1b를 참조하면, 도 1b의 내부 반사광(internal reflection)이 산란되는 산란 표면의 형태는 랜덤(random)한 형태 중 하나이다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 유기 박막 태양전지(100)를 나타내는 사시도이다. 도 2b는 도 2a의 유기 박막 태양전지에서, 텍스쳐링된 필름이 랜덤하게 빛을 산란시킬 때 그에 따른 전반사 및 빛 가둠 현상을 설명하는 도면이다.

도 2a를 참조하면, 도 1a에 대한 설명에서 언급한 바와 같이, 유기 박막 태양전지(100)는, 투명 텍스쳐링 필름(Textured film)(105), 유리 기판(Glass), 투명 전극(transparent electrode), 입사광을 흡수하는 광 활성층(photo active layer), 및 후면전극인 반사전극(reflective electrode)을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 유리 기판(Glass) 대신 플라스틱 재질의 기판이 사용될 수 있다.

투명 전극(transparent electrode)은 ITO, ZnO, 또는 SnO₂와 같은 TCO(Transparent conductive oxide) 재료일 수 있거나, 또는 silver nanowire 또는 금속격자(metal gratings)를 포함할 수 있다.

텍스쳐링 필름(105)에 도 2b에 도시된 바와 같이 입사광이 입사되면 램버트 투과(Lambertian transmittance)가 발생된다. 그 후, 도 2a의 “A”로 도시된 입사광의 반사광이 광 포획(light trapping) 구조인 표면이 울퉁불퉁한 텍스쳐링 필름(105)에서 산란(반사)되어(도 2a의 B) 입사광의 반사광이 트랩(trap)될 수 있다.

도 3a는 도 1a 또는 도 2a의 유기 박막 태양전지 실시예의 전류(또는 전류밀도, J)-전압(V) 특성을 나타내는 그래프(graph)이다. 도 3b는 도 1a 또는 도 2a의 유기 박막 태양전지 실시예의 전류-전압 특성을 설명하는 도표(table)이다. 도 3a 및 도 3b의 전류-전압 측정에 사용된 본 발명의 실시예는 Textured film(PDMS 필름)/glass/ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PC₇₀BM/TiO_x/Al 구조를 가진다.

도 3a를 참조하면, 일점쇄선으로 도시된 본 발명의 유기 박막 태양전지(polishing film)에서의 전류량(J)이 텍스쳐링 필름이 없는 유기 박막 태양전지(w/o textured film)의 전류량보다 크다는 것을 알 수 있다. 도 3b를 참조하면, 본 발명(Diffuser 또는 Polishing Film)에서의 Jsc 및 PCE가 텍스쳐링 필름이 없는 유기 박막 태양전지(w/o film)의 Jsc 및 PCE에 비해 증가함을 알 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 도 1a 또는 도 2a의 텍스쳐링 필름 실시예로서, 랜덤 텍스쳐를 갖는 필름의 표면에 대한 주사 전자 현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진(image)이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 도 4a의 텍스쳐링 필름은 1(μm)의 그릿 크기를 가진 연마 필름에 의해 텍스쳐링된 것이고 도 4b의 텍스쳐링 필름은 5(μm)의 그릿 크기를 가진 연마 필름에 의해 텍스쳐링된 것이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 도 1a 또는 도 2a의 텍스쳐링 필름 실시예를 통과하는 레이저 스폿(laser spot)의 광 이미지이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 도 5a는 1(μm)의 그릿 크기를 가진 연마 필름에 의해 텍스쳐링된 텍스쳐링 필름의 이미지를 나타낸 것이고 도 5b는 5(μm)의 그릿 크기를 가진 연마 필름에 의해 텍스쳐링된 텍스쳐링 필름의 이미지를 나타낸 것이다.

도 6a는 도 4a 또는 도 4b에 도시된 랜던 텍스쳐 필름을 포함하는 도 2a의 유기 박막 태양전지의 실시예에 따른 전류-전압 특성을 나타내는 그래프(graph)이다. 도 6b는 도 6a에 도시된 유기 박막 태양전지의 실시예에 따른 전류-전압 특성을 설명하는 도표(table)이다. 도 6a 및 도 6b의 전류-전압 측정에 사용된 본 발명의 실시예는 Texturing film(PDMS 필름)/glass/ITO/TiO_x/PCDTBT:PC₇₀BM/WO₃/Ag 구조를 가진다. 상기 TiO_x는 유기 박막 태양전지의 전자 수송 층에 포함된 물질일 수 있고 상기 WO₃은 유기 박막 태양전지의 정공 수송 층에 포함된 물질일 수 있다. 도 6a에서 레퍼런스라고 되어 있는 것은 기판과 활성층, 전극은 모두 같으나 텍스쳐링 필름이 없는 경우의 대조군 유기태양전지를 의미한다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 유기 박막 태양전지(polishing film(particle size(그릿 크기): 1μm 또는 polishing film(particle size(그릿 크기): 5μm)에서의 전류량(J)이 텍스쳐링 필름이 없는 유기 박막 태양전지(reference)의 전류량보다 크다는 것을 알 수 있다. 도 6b를 참조하면, 본 발명(Polishing Film: 1μm 또는 Polishing Film: 5μm)에서의 Jsc 및 PCE()가 텍스쳐링 필름이 없는 유기 박막 태양전지(w/o film)의 Jsc 및 PCE에 비해 증가함을 알 수 있다.

한편, 도 6a 및 도 6b의 전류-전압 측정에 사용된 본 발명의 실시예는 반사전극으로 보다 많은 반사광을 반사할 수 있는 은(Ag)을 사용하므로, 도 3a 및 도 3b의 전류-전압 측정에 사용된 본 발명의 실시예(반사전극으로 알루미늄(Al)을 사용함)보다 Jsc 및 PCE에서 보다 높은 퍼센트 증가를 가짐을 도 6a 및 도 6b와 도 3a 및 도 3b의 비교를 통해 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, V자형 필름을 부착한 유기 박막 태양 전지(200)를 나타내는 사시도이다.

도 7을 참조하면, 유기 박막 태양전지(200)는, V자형 홈들을 가지는 투명 텍스쳐링 필름(V-groove texturing)(205), 유리 기판(Glass), 투명 전극(transparent electrode), 입사광을 흡수하는 광 활성층(photo active layer), 및 은(Ag) 또는 알루미늄을 포함할 수 있는 반사전극(reflective electrode)을 포함한다. 투명 전극, 광 활성층(photo active layer), 및 반사전극은 기판 아래에 순서대로 적층될 수 있다. 유기 박막 태양전지(200)는 예를 들어 고분자 유기 태양전지로서 양극이 기판에 가까운 노멀(normal) 구조 또는 음극이 기판에 가까운 도립형(inverted) 구조를 가질 수 있다.

광 포획(light trapping)을 위한 경로가 다음과 같이 설명된다. 텍스쳐링 필름(205)에 입사광이 입사된 후, 반사전극에서 입사광이 반사된다. 상기 반사된 광은 도 7에 도시된 바와 같이 투명 텍스쳐링 필름(205)의 V자형 홈에 의해 전반사되어 다시 광 활성층으로 다시 진행하여 광 활성층에 흡수(trap)될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 유리 기판(Glass) 대신 플라스틱 기판과 같은 다른 기판이 사용될 수도 있다.

투명 전극(transparent electrode)은 ITO, ZnO, 또는 SnO₂와 같은 TCO 재료일 수 있거나, 또는 silver nanowire 또는 금속격자(metal gratings)를 포함할 수 있다.

텍스쳐링 필름(205)은 기판(glass) 위에 형성되고, 종단면이 톱니 형태인 1차원 V자형 홈(groove)들을 가지는 상부를 포함한다. V자형 홈들 각각은 일정한 주기를 가지고 배열된다. 상기 1차원 V자형 홈(groove)들(1차원 배열 V자형 홈(groove)들)은 텍스쳐링 필름(205) 및 기판(glass)을 통해 유기 박막 태양전지에 포함된 광 활성층에 입사되는 입사광의 반사광 및 상기 반사광에 뒤따른 반사광을 전반사를 통해 연속적으로 트랩(trap)하여 유기 박막 태양전지(200)에 포함된 광 활성층 내부에서의 빛의 이동거리를 증가시킬 수 있다.

텍스쳐링 필름(205)은 PDMS 필름과 같은 투명한 플라스틱 필름, 또는 유리일 수 있다. 텍스처링 필름(205)은 기판에 직접 가공하여 구현될 수도 있다.

텍스쳐링 필름(205)의 두께는 예를 들어 텍스쳐링 필름(205)의 제조를 위한 몰드(mold)(주형)에 주입하는 용액의 양을 조절하는 것에 의해 조절될 수 있다.

상기 V자형 홈들 사이의 각도인 꼭짓점 각도(vertex angle)(삼각형 형태로 돌출된 부분의 꼭짓점 각도)는 조절될 수 있다. 즉, V자형 홈을 제작하기 위한 몰드(mold)(주형)의 형태에 따라 꼭짓점 각도는 변경될 수 있다.

상기 V자형 홈들은 상기 V자형 홈들 각각의 중심선을 기준으로 대칭이거나 또는 비대칭일 수 있다. 상기 비대칭 구조는 태양의 고도 변화를 고려하는 경우에 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 1차원 V자형 홈(굴곡)을 가지는 구조 대신 각뿔의 형태로 텍스쳐링 단위구조가 평면상에 배열된 2차원 구조가 이용될 수도 있다. 2차원 구조 역시 각 1차원 방향에 대해 광변환 효율을 최대로 할 수 있도록 다양한 형태의 최적화가 이뤄질 수 있다.

도 8은 도 7에 도시된 유기 박막 태양 전지(200)에서의 광 분석(빛에 대한 기하학적 분석)을 설명하는 도면이다.

도 8을 참조하면, V자형 홈이 주기적으로 텍스쳐링된 필름에서 θi 및 θv 각각은 빛의 입사각 및 꼭짓점 각(vertex angle)을 지시(indication)한다. 반사광은 R1 영역 또는 R2 영역을 통해 진행(전파(propagation))한다. R1 영역을 통해 진행하는 빛은 기하학적으로 전반사 현상에 의해 트랩(포획)되어 유기 박막 태양 전지 내로 다시 진행(진입)한다.

R2 영역을 통과하는 빛은 항상 V자형 홈 구조를 탈출(escape)한다. 한편, R1 영역을 통과하는 빛은 전파각 및 꼭짓점 각도에 따라 트랩(trap)될 수 있다. 빛이 R1 영역에 해당하는 경우, 전파각, φ_A, φ_B and φ_C는 스넬(Snell)의 법칙을 이용하여 얻어질 수 있다. φ_A, φ_B and φ_C를 구하는 등식은 도 8에 도시되어 있다.

수직 입사광(normal incident light)(θi = 0°)의 경우, 90.0°~112.0 °(90°이상이고 112°이하)(n = 1.42로 가정할 때의 값)의 범위 내의 꼭짓점 각도가 빛 가둠을 보장하는 데 최적임이 계산된다. 각도 변화에 따른 R1 영역을 통한 빛의 트랩 성능은 도 10의 도표(table)에 도시되어 있다. 실제 구현시에는 약 10% 정도의 제조 마진이 있다고 가정할 때 V-groove는 80~120도 정도가 허용될 수 있다. 굴절률(refractive index)(n)은 1.42로 가정하고, 1.42는 PDMS필름의 굴절률과 거의 동일하다. 따라서 θ_critical(전반사의 임계각)은 44.8°이다. 주어진 꼭짓점 각도의 경우, R1 영역에서 트랩되는 빛들의 양과 R2 영역에서 이탈하는 빛들의 양의 비는 V자형 홈 구조(텍스쳐링 필름)의 두께에 의해 결정될 수 있다. 분석을 위해, 홈 구조의 결에 평행한 평면을 따라 입사되는 입사각(즉, 도 8에서 일일 각도(daily angle))은 0°로 가정될 수 있고 홈 구조의 단면을 이루는 평면을 따라 입사되는 입사각(즉, 도 8에서 연간 각도(annual angle))은 ±23.5°내로 제한된다. 1차원 V자형 홈이 동서 축(도 8에서 y축)으로 배열되면 상기 연간 각도는 연간 태양 고도 변화에 따른 남중고도(meridian transit altitude)에 대응한다. 도 10의 도표를 구할 때 daily angle을 0도으로 두고 계산했지만 daily angle이 0도보다 커지면 결과가 달라질 수 있고, 하지만 이 경우에 트랩되는 각도범위가 실제로 더 커지기 때문에 daily angle=0도에서 최적화된 꼭지각 범위는 daily angle가 0도가 아닌 경우에서도 트랩범위에 다 포함된다. 따라서 V자형 홈이 주기적으로 텍스쳐링된 필름은 도 1a 또는 도 2a에서 설명된 랜덤하게 텍스쳐링(random texturing)보다 우수한 광 포획 특성을 가질 수 있으므로, 유기 박막 태양전지의 단락전류 밀도를 더 높일 수 있다.

매질에서 빛이 전파하는 방식을 조절하고 일부 파라미터들(예를 들어, 꼭짓점 각 또는 V자형 홈 주기(period))을 변경하는 것에 의해 빛 가둠 효과를 예측하기 위하여, 도 8에 도시된 본 발명인 1차원의 주기적인 V자형 홈 텍스쳐링이 제공된다. 상기 주기 구조에서의 V자형 홈 주기(period)(V자형 홈 길이) 및 텍스쳐링 필름 두께(또는 V자형 홈의 하단에서 텍스쳐링 필름의 하단까지의 길이)는 조절되는 것에 의해, 주기 구조의 광 포획을 위한 광 설계가 가능할 수 있다. V자형 홈 주기가 조절될 때 꼭짓점 각도도 조절될 수 있다. 꼭짓점 각도(θ_v )는 태양전지에서 반사된 광이 V자형 홈에 의해 가능한 많이 전반사(total internal reflection, TIR)를 통해 가두어(trap) 지도록 설계되어야 한다. 왜냐하면 유기 박막 태양전지의 광 흡수는 활성층 내부로 빛의 다중 전파(다중 반사 또는 다중 바운스들(bounces))를 확보하는 것에 의해 증가될 수 있기 때문이다. 반사광의 전파각은 꼭짓점 각도 및 입사각에 의해 결정되므로, 꼭짓점 각도는 본 발명의 최적의 구성을 설계하는 데 중요하다.

입사각(θ_i)을 가지는 빛이 V자형 홈 구조에 전파(입사)된 후, 반사전극에서 빛의 첫 번째 반사가 일어나고 상기 반사광은 텍스쳐링 필름의 표면에 부딪쳐 두 번째 반사가 일어난다. 첫 번째 반사광의 광 밀도와 첫 번째 반사광에 의한 광 활성층의 광 흡수량이 두 번째 반사광의 광 밀도와 두 번째 반사광에 의한 광 활성층의 광 흡수량보다 클 수 있다. 전술한 방식과 같이 이 후 V자형 홈 구조 내부에서 빛의 반사(또는 빛의 전반사)가 연속적으로 일어난다. 그 결과, 광 활성층(흡광층) 내부에서의 빛의 이동거리가 증가하여 유기 박막 태양전지의 에너지 변환 효율이 증가될 수 있다.

도 9는 도 7에 도시된 유기 박막 태양전지(200)의 빛 가둠 경로(pathway)를 설명하는 도면이다.

도 9를 참조하면, 입사광이 유기 박막 태양전지(organic solar cell, 200)에 포함된 반사전극의 R1 영역에 부딪칠 때 입사광의 반사광이 유기 박막 태양전지의 광 활성층으로 재진입할 수 있다. 만약 입사광이 R2 영역에 부딪치면 입사광의 반사광은 유기 박막 태양전지의 외부인 공기(air)로 이탈한다.

도 10은 도 8에서 빛이 R1 영역을 진행할 때 빛의 입사각 및 꼭짓점 각에 따른 빛 진행 각을 설명하는 도표(table)이다.

도 10을 참조하면, 기판(V자형 홈을 포함하는 기판)의 굴절률(n)은 1.42로 그리고 빛은 1차원 구조의 단면 위로만 진행한다고 가정한다. φA 및 φB가 임계각(44.8°)보다 클 때 전반사(또는 내부 전반사(total internal reflection, TIR)가 발생하고 φA 및 φB가 임계각(44.8°)보다 작을 때 빛은 유기 박막 태양 전지의 외부로 이탈한다. 빛은 전반사가 φA 및 φB 모두에서 일어날 때 또는 φB를 통해 이탈하는 빛이 다음 홈으로 φ_C>90°인 조건으로 진행할 때 완전히 트랩된다. θ_v/2<φ_C<90°의 경우, 부분적인 트랩(partial trapping)이 발생하므로, 빛이 이탈하거나 또는 트랩될 수 있다. 도 10에는 입사각(θi)이 23.5 °인 경우에도 광 포획(trap)되는 꼭짓점 각(θ_v )의 범위가 나타나 있다.

도 11a는 도 7의 태양 전지의 기판 두께(V자형 홈 구조를 가지는 기판의 두께)에 따른 정규화된(normalized) 단락전류밀도(Jsc) 값을 나타내는 그래프(graph)이다.

V자형 홈 구조의 성능(빛 가둠 현상)을 분석하기 위하여, 기하학적 광 추적(geometrical ray tracing) 및 파동-광 전이 행렬 포멀리즘(wave-optical transfer-matrix formalism)에 근거한 시뮬레이션 프로그램이 이용된다. 빛의 파동 효과는 다층 영역에서 고려되었고 간섭성은 기판 영역에서 무시되었다. 단위 홈 당 200개의 빛들이 시뮬레이션에서 사용되었다. PDMS 및 유리의 굴절율은 각각 1.42 및 1.52로 가정했고, PCDTBT:PC₇₀BM 및 금속(Al 및 Ag)의 굴절률 각각은 논문(N. P. Sergeant, A. Hadipour, B. Niesen, D. Cheyns, P. Heremans, P. Peumans, and B. P. Rand, "Design of Transparent Anodes for Resonant Cavity Enhanced Light Harvesting in Organic Solar Cells," Advanced Materials 24, 728-+ (2012).), 및 (E. D. Palik, and G. Ghosh, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic Press, 1998).)에 언급되어 있고, 다른 것들의 굴절률은 타원편광 반사법(ellipsometry)을 이용하여 얻었다. 타원계측법(Ellipsometry)은 다양한 방식으로 빛의 편광 특성 변화를 확인하여 빛의 파장에 따른 물질의 복소 굴절률(complex refrective index)을 측정하는 방법을 말한다. 상기 물질들은 등방성(isotropic) 물질로 가정한다. 알루미늄 음극을 가지는 일반적인 구조(normal structure)와 은(Ag) 양극을 가지는 반전 구조(inverted structure)가 사용되었다. 빛 가둠 증가는 주로 후면 반사전극(BR: back reflector)의 금속의 반사율에 주로 의존함을 상기 할 필요가 있다. 즉, 가시광 영역 내에서 보통 은(Ag)은 알루미늄보다 빛을 덜 흡수하고 높은 반사율을 보이므로 빛 가둠을 증가 시키는데 도움이 될 수 있다. 이를 실험 및 계산상으로 입증하기 위하여, V-groove(PDMS) / Glass(700μm) / ITO (130nm)/ PEDOT:PSS(40nm) / PCDTBT:PC₇₀BM(60nm) / TiO_x(20nm) / Al 로 구성된 통상 구조(normal) 유기 박막 태양전지와, V-groove(PDMS) / Glass(700μm) / ITO (130nm)/ TiOx(20nm) / PCDTBT:PC₇₀BM(60nm) / PEDOT:PSS(30nm) / -Ag을 가지는 도립형 유기 박막 태양전지가 분석되었다. 상기 구조에서, 홈의 주기는 50(μm)이고 두께는 100(μm)이상이고 600(μm)이하이어서 전체 기판의 두께는 800(μm)이상이고 1300(μm)이하이다.

도 11a는 수직 입사(normal incidence)시(θ_i=0°)에 꼭짓점 각들(θ_v=60°, 90° 및 120°)에 대한 기판 두께를 변화시키면서 얻어진 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

전술한 바와 같이, 단락전류 밀도 증가는 광 포획(trapping) 조건을 위한 R1 영역을 통과하는 빛들의 비율에 의존하기 때문에 정규화된(normalized) 단락전류밀도(Jsc)는 θ_v=90°의 경우 두께가 증가함에 따라 주기적으로 변한다. θ_v=60°및 120°의 구조들의 경우, 전반사에 의한 광 포획효과가 예상되는 꼭지각 범위에 속하지는 않지만, 빛의 진행각도가 커지고, 표면에서의 Frensnel 반사에 의한 입사에너지 손실이 줄어드는 등의 요인이 있어, 비록 크지는 않지만 역시 단락전류밀도의 증가를 관찰할 수 있다. 또한 비록 θ_v=120°가 도 10의 도표에 있는 광 포획 영역에 속하지 않지만, 두께에 따른 변화가 θ_v=120°의 경우에도 도시된다. φ_A는 표면에서 큰 Fresnel 반사를 야기할 정도로 충분히 크므로, 입사광의 상당 부분이 φ_A점에서 전반사(TIR) 없이도 포획된다. 그러한 경향이 도립형 구조(inverted structure; 음극이 기판쪽에 가까운 구조)의 유기 태양 전지 및 통상 구조(normal structure; 양극이 기판쪽에 가까운 구조)의 유기 태양 전지에서 동일하게 관찰되지만, 절대적인 단락전류 밀도의 증가 비율은, 도립형 구조의 유기 태양 전지에서 보다 크게 나타나고 있다. 이는 여기서 보고 있는 통상 구조의 태양전지가, 광 흡수가 상대적으로 큰 Al을 전극으로 이용하므로, 빛의 금속면 반사 당 손실이 더 크기 때문이다.

도 11b는 θ_v=90°일 때 θ_i 에 따른 도 7의 태양 전지의 기판 두께에 따른 정규화된(normalized) 단락전류밀도(Jsc) 값을 나타내는 그래프이다.

도 11b를 참조하면, 빛은 θ_i >0°일 때 부분적으로 트랩된다.

도 11b에서, 은(silver) 후면 전극을 이용하는 도립형 구조의 태양전지의 두께에 따른 정규화된 단락전류밀도(Jsc) 성능이 θ_v=90°를 가지는 입사각들의 경우에 도시된다. 입사각이 0도 큰 (θ_i>0°)의 경우, 최대 단락전류 밀도 증가는 주기적으로 나타나지만, 빛이 부분적으로 포획된다. 두께에 따른 단락전류밀도 증가의 변화분은 다른 θ_v 또는 θ_i에 있어서 다른 주기를 가진다. 특정 두께의 경우, 텍스쳐링 성능은 θ_v 또는 θ_i 변화에 매우 민감하다. 변화 국면이 θ_v에서의 1°에서도 민감하게 변경될 수 있으며 실제 몰드에서 각 홈들의 꼭짓점 각 간의 오차가 그 이상이 될 수 있으므로, 최적의 두께가 홈 배열 내에 있는 특정 입사각에서도 발견되지 않을 수 있고 이 경우 각 홈에서 다른 성능이 전체 배열에서 평균된다. 따라서 최대 단락전류밀도 증가보다는 두께 변화에 따른 평균 단락전류밀도 증가는 홈(groove)의 성능을 평가하기 위해 고려되어야 한다. 수직 입사(normal incidence)시, 평균 단락전류밀도 증가는 도립형 구조의 태양전지의 경우 약 18(%)이고 통상형 구조의 태양전지의 경우 약 11(%)이다. 한편, 입사각(θ_i)이 23.5°의 경우, 평균 단락전류밀도 증가는 도립형 구조의 태양전지의 경우 약 11(%)이고 통상형 구조의 태양전지의 경우 약 6(%)이다.

도 12는 도 7의 유기 박막 태양전지 실시예의 꼭짓점 각에 따른 단락전류밀도 증가 특성을 기하광학을 바탕으로 분석하여 나타낸 그래프(graph)이다. 도 12의 단락전류밀도 증가 측정에 사용된 본 발명의 실시예는 Textured film/glass/ITO/PEDOT:PSS/ PCDTBT:PC₇₀BM/TiO_x/Al 구조를 가진다.

도 12를 참조하면, 꼭짓점 각이 90°이상이고 112°이하의 범위에서 빛 가둠 현상(light trapping phenomena)로 인하여 유기 박막 태양전지의 실시예의 단락전류밀도의 증가가 큼을 알 수 있다.

도 13은 도 7의 유기 박막 태양전지 실시예의 꼭짓점 각에 따른 광 흡수율 증가를 기하광학 시뮬레이션을 통해 설명하는 그래프이다. 도 13의 광 흡수율 증가 측정에 사용된 본 발명의 실시예는 Textured film/glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC₆₀BM/Al 구조를 가진다. P3HT:PC₆₀BM은 poly-3-hexylthiophene:C61-butyric acid methyl ester를 의미할 수 있다.

도 13을 참조하면, 꼭짓점 각이 105°미만 각도 근방에서 광 포획(light trapping)이 발생하여 광 활성층(active layer)에서 광 흡수가 증가되고 꼭짓점 각이 105°초과 각도 근방에서 광 포획이 발생하지 않아 광 흡수가 감소함을 알 수 있다.

도 14a는 도 7의 유기 박막 태양전지 실시예의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프(graph)이다. 도 14b는 도 7의 유기 박막 태양전지 실시예의 전류-전압 특성을 설명하는 도표(table)이다.

도 14a 및 도 14b의 전류-전압 측정에 사용된 본 발명의 실시예는 Textured film/glass/ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PC₇₀BM/TiO_x/Al 통상 구조를 가진다.

도 14a를 참조하면, 일점쇄선으로 도시된 본 발명의 유기 박막 태양전지(V-groove textured film)에서의 전류량(J)이 텍스쳐링 필름이 없는 유기 박막 태양전지(w/o textured film)의 전류량보다 크다는 것을 알 수 있다. 도 14b를 참조하면, 본 발명(V-groove)에서의 Jsc 및 PCE가 텍스쳐링 필름이 없는 유기 박막 태양전지(w/o film)의 Jsc 및 PCE에 비해 증가함을 알 수 있다.

도 15a는 도 7의 유기 박막 태양전지의 다른 실시예에 따른 전류-전압 특성을 나타내는 그래프(graph)이다. 도 15b는 도 7의 유기 박막 태양전지의 다른 실시예에 따른 전류-전압 특성을 설명하는 도표(table)이다.

도 15a 및 도 15b의 전류-전압 측정에 사용된 본 발명의 실시예는 Texturing film/glass/ITO/TiO_x/PCDTBT:PC₇₀BM/WO₃/Ag 도립형 구조를 가진다. 상기 TiO_x는 유기 박막 태양전지의 전자 수송 층에 포함된 물질일 수 있고 상기 WO₃은 유기 박막 태양전지의 정공 수송 층에 포함된 물질일 수 있다.

도 15a를 참조하면, 본 발명의 유기 박막 태양전지(V-groove textured film)에서의 전류량(J)이 텍스쳐링 필름이 없는 유기 박막 태양전지(w/o textured film)의 전류량보다 크다는 것을 알 수 있다. 도 15b를 참조하면, 본 발명(V-groove)에서의 Jsc 및 PCE가 텍스쳐링 필름이 없는 유기 박막 태양전지(w/o film)의 Jsc 및 PCE에 비해 증가함을 알 수 있다.

한편, 도 15a 및 도 15의 전류-전압 측정에 사용된 본 발명의 실시예는 반사전극으로 보다 많은 반사광을 반사할 수 있는 은(Ag)을 사용하거나 또는 도립형 구조를 사용하므로, 도 14a 및 도 14b의 전류-전압 측정에 사용된 본 발명의 실시예(반사전극으로 알루미늄(Al)을 사용하고 통상형 구조를 사용함)보다 Jsc 및 PCE에서 보다 높은 퍼센트 증가를 가짐을 도 15a 및 도 15b와 도 14a 및 도 14b의 비교를 통해 알 수 있다.

전술한 바와 같이, V자형 홈 텍스쳐링 필름을 포함하는 본 발명은 빛을 산란시켜 내부의 전반사를 증가시키고 광 활성층(흡광층) 내부의 빛의 이동거리를 높이는 것에 의해 빛의 흡수를 높이고 전지의 단락전류를 상승시킬 수 있다.

본 발명인 랜덤 텍스쳐링의 경우, 빛을 최대한 Lambertian 분포에 가깝게 산란시켜 이상적인 평균 2.25회에 근접하는 최대한의 반복흡수를 유도하는 것을 그 목적으로 한다. 본 발명은 V-자형 텍스쳐링을 몰드로 뜬(형성한) 투명 필름을 이용하여 박막 태양전지에 빛가둠 효과를 나타내도록 한다. V-자형 홈 텍스쳐링의 경우 꼭짓점 각을 조절하면 특정 입사각 범위에 대해 높은 빛가둠 효과를 나타낼 수 있다. 태양의 연중 고도변화는 ±23.5°로 제한되어 있으므로, 해당 고도변화에 맞는 1차원 텍스쳐링을 디자인하면, 연중 높은 빛가둠 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예는 V자형 홈의 중심축을 기준으로 단위구조가 대칭을 이루는 대칭형 구조물에 그 기반을 두고 꼭지각(꼭짓점 각)에 대한 함수로 성능을 나타내었다. 그러나 실제로 V자형 홈을 톱니모양과 유사하게 비대칭형으로 디자인하면 이 역시 구조의 최적화에 새로운 변수로 작용할 수 있다. 특히 건물 일체형 태양광 발전 시스템 (building-integrated photovoltaics, BIPV)와 같은 응용에 있어서, 연중 태양의 고도 범위는 각 지역의 위도에 따라 차이가 있으므로, 각 경우에 맞는 비대칭형 텍스쳐링 구조의 최적화가 가능하다.

본 발명인 유기 박막 태양전지는 저렴한 가격과 가벼운 무게 때문에 휴대용 핸드폰 충전기, 군용 장비, 일상에서 에너지의 수확이 필요한 대부분의 분야에 응용이 가능하다. 또한 색상이 다양하고 외관이 아름다워 건물 외벽이나 자동차 천장 등에 설치하기에도 적합하다.

유기 박막 태양전지의 연구는 세계적 추세이며, 수많은 기업들이 높은 효율의 박막 태양전지를 구현하기 위해 투자를 아끼지 않고 있다. 우리나라의 경우 지금은 기업차원의 투자가 상대적으로 저조하지만, 세계적 추세에 비추어 볼 때 향후 투자 확대는 필연적 흐름이며, 고효율 박막 태양전지를 선점하기 위한 경쟁은 갈수록 치열해질 것이다.

차세대 에너지원으로 크게 각광받고 있는 유기 박막 태양전지는 큰 상품성과 수많은 응용 가능성에도 불구하고 10% 안팎의 낮은 에너지 변환 효율 때문에 아직 연구단계에 머물러 있다. 현재 많은 연구가 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 흡광 물질의 합성에 초점을 맞춰 이뤄지고 있지만, 본 발명을 통해 주어진 물질에 대해 최대 15% 안팎의 효율 증가를 끌어낼 수 있으므로 이는 유기 박막 태양전지의 상용화를 상당히 앞당길 수 있도록 해줄 수 있다.

본 발명의 구조는 태양전지를 태양의 고도에 맞추어 기울이거나, 또는 구조의 방향을 기울여 주는 등의 변화를 통해 지구상 모든 지역의 위도와 그에 따른 태양의 고도에 맞춰줄 수 있다.

본 발명인 V자형 홈을 가지는 텍스쳐링 필름을 포함하는 유기 박막 태양전지의 실시예가 다음과 같이 설명된다. V자형 홈 구조를 구현하기 위해, LCD 디스플레이에서 사용되는 백라이트 증가 필름(Backlight Enhancement Film)((Shinwha interk, PTX338)가 사용될 수 있다. 몰드(mold)는 50(μm)인 V자형 홈 어레이 주기 및 최적의 구조 범위인 약 100°(± 15°)의 꼭짓점 각을 가질 수 있다. 또한 PDMS 필름을 가열판(hot plate) 위에서 경화(cure)하기 전에 PDMS 필름 두께를 조절하기 위해 스핀 코터(spin-coater)가 사용된다. 보다 빠르고 보다 긴 스핀 조건은 보다 얇은 두께의 가진 필름을 생산한다. 이렇게 제작된 V자형 홈 텍스쳐링된 PDMS 필름은 PCDTBT:PC₇₀BM 활성층(active layer)을 포함하는 유기물 태양 전지의 기판의 후면(backside)에 부착될 수 있다. 본 발명의 V자형 홈을 가지는 텍스쳐링 필름이 부착된 유기 태양전지에 있어서의 단락전류밀도(Jsc)는 최대 8.5(%)까지 개선될 수 있고 이 값은 랜덤하게 텍스쳐링된 경우의 값보다 높은 값이다.

V자형 홈 텍스쳐링의 광 포획 효과를 보다 강화하기 위하여, 은(Ag) 전극을 가지는 유기 태양전지(OPV)가 고려된다. Glass/ ITO/ TiO_x/ PCDTBT:PC₇₀BM/ WO₃/ Ag와 같은 은(Ag) 전극을 가지는 도립형 구조의 유기 태양전지는 알루미늄 전극을 포함하는 유기 태양전지보다 약 1.5배 큰 단락전류밀도를 가질 수 있다. 상기 WO₃은 광 스페이서(optical spacer)일 수 있다. 은(Ag) 전극 위에서의 보다 큰 반사가 광 흡수 증가에서의 주요한 원인일 수 있다.

본 발명인 랜덤 텍스쳐링이나 V자형 홈을 갖는 필름의 제조 방법의 실시예가 다음과 같이 설명된다.

랜덤 텍스쳐링용으로는 광 섬유 연마 필름(Fiber polishing film)(Thorlabs, LFGxP, x는 grit size를 지시함)을, 그리고 V-groove형 텍스쳐 구현을 위해서는 백라이트 강화 필름(BEF film (Back Light Enhancement Film, Shinwha Intertek PTX338))이 마스터들(masters)로서 준비된다.

그 후, 상기 마스터의 표면은 진공 상태이고 작은 양의 (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane)(United Chemical Technology)를 가지는 알루미늄 판이 포함된 데시케이터(Desiccator) 내에서 실레인(silane) 처리된다. 실레인 처리(silanization)는 마스터들에 PDMS의 부착을 막기 위해 진행된다. 이러한 실레인 처리된 마스터들 위에 프리폴리머(prepolymer)(Sylgard 184, Dow Corning)를 캐스트성형(Casting)하고 약 3시간 동안 오븐에서 60℃로 경화(curing)하여 각 몰드 구조의 네거티브 레플리카(negative replica)로서 텍스쳐링된 poly(dimethylsiloxane)(PDMS) 필름을 형성한다. 마지막으로, 텍스쳐링된 PDMS 필름이 마스터들로부터 분리되어 상기 분리된 텍스쳐링된 PDMS 필름은 빛 가둠 필름으로서 사용된다.

빛 가둠 필름은 PDMS에만 국한되지는 않으며, UV경화형 광 레진 (optical resin) 을 사용해서도 구현될 수 있다. 이 경우는 PDMS 로 원하는 광가둠형 필름의 네거티브 레플리카 마스터를 만들고, 그 위에 광 레진을 붓고 UV 광원을 쪼여 경화 시킨 후 PDMS를 떼어내는 방법을 활용할 수 있다. 또한 인젝션 몰딩, 핫 엠보싱등의 방법을 통해서도 구현될 수 있다.

빛 가둠 필름을 기판에 체결 시는 광학적 손실이 없도록 필름과 기판 사이에 에어 갭이 없도록 유의해야 한다. PDMS의 경우, 먼지 등이 없는 환경에서 기판에 자연스럽게 에어 갭이 없는 합착이 가능하나, 에폭시 레진을 경화 시킨 필름이나 플라스틱 필름형으로 구현된 광가둠형 필름의 경우는, 기판에 굴절율 매칭(matching) 광학 에폭시 (optical epoxy)나 광학 접착제 (optical adhesive)를 이용하여 합착해야 에어갭이나 굴절율 미스매치(mismatch) 에 따른 손실을 최소화 할 수 있다.

본 발명인 유기 박막 태양전지의 제조 방법의 실시예가 다음과 같이 설명된다.

PCDTBT:PC₇₀BM을 포함하는 태양전지를 제조하기 위하여, PEDOT:PSS 층(Baytron P Al 4083, H.C. Starck, Inc)이 유리 기판 위에 형성된 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO) 위에 스핀 코팅된다. 30nm 두께의 PEDOT:PSS 층의 코팅 후, 샘플은 질소로 가득찬 글로브 박스(glove box)로 옮겨지고, 그 곳에서 벌크-헤테로-정션(bulk-hetero-junction, BHJ) 층(PCDTBT:PC₇₀BM)이 다이클로로벤젠(dichlorobenzene) 내에서 PCDTBT:PC₇₀BM (35mg/ml, 1:4 혼합비(by volume)) 용액을 통해 상기 샘플 위에서 60초 동안 1100rpm 속도로 스핀 코팅된다. 상기 BHJ 층에 의해 스핀 코팅된 층들은 상온(room temperature)에서 40분 동안 그리고 글로브 박스에서 80 °C에서 10분 동안 건조된다. 그 후, TiO_x 중간층(interlayer)이 30초 동안 2500 rpm 속도로 상기 글로브 박스에서 건조된 샘플 위에 스핀 코팅된 뒤 공기에서 10 동안 80 °C로 어닐링(annealing)된다. 어닐링된 샘플은 알루미늄 전극의 증착(deposition)을 위해 체임버(chamber) 내로 적재(reload)된다. 상기 제조된 장치의 활성 영역(active area)은 0.05~0.10 cm² 면적 범위 내이다. 전류-전압 (J-V) 특성은 Keithley 236 source-measure unit에 의한 100mW/cm², AM1.5G 상태의 방사 조도(irradiance) 하에서 측정된다. J-V 측정은 각각의 텍스쳐 필름에 대해 7 시간 동안 진행되고 그것의 평균값이 J-V 측정값으로 사용된다.

전술한 도 1a 또는 도 2a 또는 도 7을 참조하여 설명된 본 발명은 저분자 유기 박막 태양전지 또는 염료감응형 태양전지에도 적용될 수 있고, 본 발명의 구성(구성 원리)은 CdTe 박막태양전지 또는 GIGS 박막태양전지와 같은 무기 박막 태양전지에도 적용될 수 있다.

이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

105: 텍스쳐링 필름
205: V자형 홈(groove) 텍스쳐링 필름

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 유기 박막 태양전지에 있어서,
   기판; 및
   상기 기판 위에 형성되고, 1차원 V자형 홈(groove)들을 가지는 상부를 포함하는 텍스쳐링 필름(texturing film)을 포함하며,
   상기 1차원 V자형 홈(groove)들은 상기 유기 박막 태양전지에 포함된 광 활성층 내부에서의 빛의 이동거리를 증가시키며,
   상기 V자형 홈들은 상기 V자형 홈들 각각의 중심선을 기준으로 비대칭이고 상기 V자형 홈들의 비대칭 구조는 상기 광 활성층에 포함되지 않고 상기 텍스쳐링 필름에 포함되며,
   상기 V자형 홈들의 비대칭 구조에서 V자형 홈들 사이의 각도인 꼭짓점 각도는 제조시부터 조절되는 것에 의해, 지역의 위도로 인한 연중 태양의 고도 변화에 따른 빛의 입사각이 조절되어 상기 광 활성층 내부에서의 빛의 이동거리를 증가시키며,
   상기 1차원 V자형 홈(groove)들은 동서로 배치되는 것에 의해 태양의 일주운동에 따른 상기 1차원 V자형 홈(groove)들에서의 빛의 입사각 변화는 최소화되며,
   상기 텍스쳐링 필름은 빛의 굴절 또는 반사에 사용되고 마이크로미터의 크기를 가지는 구조물인 유기 박막 태양전지.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 꼭짓점 각도는 80°이상이고 120°이하인 유기 박막 태양전지.
6. 제3항에 있어서, 상기 유기 박막 태양전지는,
   상기 기판 및 상기 광 활성층 사이에 형성되는 투명 전극; 및
   상기 광 활성층 아래에 형성되는 반사 전극을 더 포함하며,
   상기 반사 전극은 은(Ag)을 포함하는 유기 박막 태양 전지.
7. 제3항에 있어서,
   상기 텍스쳐링 필름의 두께는 제조시부터 조절되는 유기 박막 태양전지.
8. 제3항에 있어서,
   상기 유기 박막 태양전지는 도립형 구조를 가지는 태양전지인 유기 박막 태양전지.
9. 삭제

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