KR101673147B1 - 하이브리드 태양전지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
하이브리드 태양전지 제조방법에서, 기판부 상에 실리콘 마스터의 제1 패턴부가 전사된 제2 패턴부를 포함하는 레진이 형성된 복제 몰드를 제작한다. 상기 복제 몰드 상에 금속을 증착하여 상기 제2 패턴부 상에 금속 박막을 형성한다. 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성한다. 상기 복제 몰드의 상기 제2 패턴부 상에 형성된 금속 박막을 상기 정공 수송층의 상면으로 직접 전사하여 상기 정공 수송층 상에 제3 패턴부를 형성한다.
Description
본 발명은 하이브리드 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고효율 태양전지 및 유연소자 태양전지의 제작을 위한 유연한 상부전극을 포함하는 하이브리드 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
최근 태양에너지, 풍력에너지, 조력에너지 등의 청정에너지의 연구 개발의 중요성이 부각되고 있으며, 특히 태양에너지의 효과적인 활용을 위한 태양전지의 연구 개발은 지속적으로 수행되고 있는 상황이다.
일반적으로, 태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하고, 생성된 전자와 정공이 상/하부 전극으로 각각 이동하여 전기를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 이를 위해, 태양전지는 상부 및 하부 전극을 포함하여야 하는데, 상부 전극의 경우 스크린 프린팅, 스텐실, 리소그래피(lithography) 등의 공정으로 형성되는 것이 일반적이다. 특히, 상기 태양광의 흡수율을 향상시키기 위해 상기 상부전극으로 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide) 등과 같은 투명 전도막을 사용한다.
이러한 스크린 프린팅 공정을 이용한 태양전지의 상부 전극 제조와 관련하여 대한민국 특허출원 제10-2004-0012961호에서는 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하여 상부 전극을 제조하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기 스크린 프린팅 또는 스텐실 방법을 사용한 상부 전극의 형성시 현재까지의 기술적인 한계로 50μm 이하의 미세패턴의 구현이 어려우며, 전극에 의해 수광면적이 줄어드는 shading loss가 발생하는 단점이 있다. 나아가, 상기 투명 전도막의 경우 금속에 비해 전기전도도가 낮으며 비용이 높은 문제가 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 상대적으로 단순한 공정으로 제작이 가능하며 광흡수율 및 광전변환효율이 우수하고 유연소자의 적용이 가능하도록 유연한 상부전극을 포함하는 하이브리드 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 하이브리드 태양전지 제조방법에서, 기판부 상에 실리콘 마스터의 제1 패턴부가 전사된 제2 패턴부를 포함하는 레진이 형성된 복제 몰드를 제작한다. 상기 복제 몰드 상에 금속을 증착하여 상기 제2 패턴부 상에 금속 박막을 형성한다. 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성한다. 상기 복제 몰드의 상기 제2 패턴부 상에 형성된 금속 박막을 상기 정공 수송층의 상면으로 직접 전사하여 상기 정공 수송층 상에 제3 패턴부를 형성한다.
일 실시예에서, 상기 복제 몰드를 제작하는 단계는, 상기 제1 패턴부가 형성된 실리콘 마스터를 제작하는 단계, 상기 실리콘 마스터 상면에 상기 레진을 도포하는 단계, 상기 레진의 상면에 상기 기판부를 밀착시키고 UV를 조사하는 단계, 및 상기 제1 패턴부가 전사된 제2 패턴부가 형성된 상기 레진과 상기 기판부를 상기 실리콘 마스터로부터 동시에 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레진에 형성되는 상기 제2 패턴부는 돌출 패턴이고, 상기 제3 패턴부는 메쉬(mesh) 패턴일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판 후면에 후면 전극을 형성하는 단계, 및 상기 정공 수송층을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정공 수송층을 열처리하는 단계는, 상기 정공 수송층을 200도 이하에서 1~10분 동안 열처리할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정공 수송층을 열처리하는 단계는, 상기 정공 수송층을 질소(N2) 또는 대기가 채워진 챔버에서 열처리할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정공 수송층은 상기 실리콘 기판 상에 PEDOT:PSS를 스핀코팅하여 형성하고, 상기 후면 전극은 상기 실리콘 기판의 후면에 금속을 증착 또는 스크린 프린팅하여 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 기판 상에 금속 파우더를 증착하는 단계, 상기 실리콘 기판을 식각하여 나노 구조를 형성하는 단계, 상기 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층이 형성된 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판 후면에 후면 전극을 형성하는 단계, 및 상기 정공 수송층을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연층을 형성하는 단계는, 상기 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에 산화알루미늄(Al2O3)을 증착할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 패턴부가 상기 정공 수송층의 상면에 접촉한 상태에서 상기 복제 몰드를 상기 정공 수송층 방향으로 가압하여 상기 제2 패턴부 상의 금속 박막이 상기 정공 수송층의 상면으로 전사될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 패턴부 상의 금속 박막은 상기 정공 수송층의 상면으로 롤투롤 프린팅(roll-to-roll printing) 공정으로 전사될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 복제 몰드 상에 형성된 금속 박막을 정공 수송층의 상면으로 직접 전사하므로 상대적으로 태양전지의 상면 전극을 형성하는 공정을 용이하게 수행할 수 있다. 특히, 복제 몰드 상에 금속 박막으로 간격, 선폭, 두께를 변화시켜 다양한 패턴을 형성할 수 있으며 형성된 패턴이 그대로 상면 전극의 패턴으로 전사되므로, 상면 전극의 패턴 형성이 용이하고, 상면 전극의 투과도 및 전기전도도를 다양하게 조절할 수 있다.
나아가, 상면 전극을 형성하기 위한 종래의 스크린 프린팅 또는 스텐실 공정과 비교하여 수 nm까지 선폭을 줄일 수 있어 나노 패턴의 형성이 가능하고 이에 따른 shading loss의 최소화가 가능하다.
이 경우, 상기 직접 전사 공정으로 상기 복제 몰드를 상기 정공 수송층 상에 가압하여 전사하거나 롤투롤 프린팅 공정으로 전사하는 공정이 적용될 수 있어, 상대적으로 간단한 공정으로 전사가 가능하며, 공정 효율성 및 공정 정밀도가 높다.
또한, 상기 정공 수송층을 열처리한 후 전사 공정을 수행하므로, 상기 직접 전사 공정을 통해 금속 박막이 보다 용이하게 상기 정공 수송층 상으로 전사될 수 있다.
특히, 상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS로 형성되고 상기 금속 박막이 가압 등의 전사 공정으로 상면에 형성되므로, 종래의 스크린 프린팅 공정 등으로 형성되는 금속 격자(metal grid)와 달리 유연성(flexible) 특징을 가지므로, 유연성 소자에의 적용 가능성이 높다.
나아가, 상기 정공 수송층은 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에도 균일하게 형성될 수 있고, 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에도 상기 직접 전사를 통해 상기 금속 박막의 전사로 상부 전극의 형성이 가능하므로 유연성이 향상된 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 태양전지 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 복제 몰드 제작 단계를 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 1의 실리콘 기판에 정공 수송층을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 1 내지 도 3의 태양전지 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 5는 도 1의 태양전지 제조방법으로 제작된 태양전지의 상부층을 도시한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 태양전지 제조방법에서 실리콘 기판에 정공 수송층을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7e는 도 6의 태양전지 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 8a는 도 6의 나노 구조가 형성된 실리콘 기판을 도시한 이미지이고, 도 8b는 도 6의 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에 정공 수송층이 형성된 것을 도시한 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 의해 제작된 하이브리드 태양전지의 상부전극의 유연성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1의 복제 몰드 제작 단계를 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 1의 실리콘 기판에 정공 수송층을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 1 내지 도 3의 태양전지 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 5는 도 1의 태양전지 제조방법으로 제작된 태양전지의 상부층을 도시한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 태양전지 제조방법에서 실리콘 기판에 정공 수송층을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7e는 도 6의 태양전지 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 8a는 도 6의 나노 구조가 형성된 실리콘 기판을 도시한 이미지이고, 도 8b는 도 6의 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에 정공 수송층이 형성된 것을 도시한 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 의해 제작된 하이브리드 태양전지의 상부전극의 유연성을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 태양전지 제조방법을 도시한 흐름도이다. 도 2는 도 1의 복제 몰드 제작 단계를 도시한 흐름도이다. 도 3은 도 1의 실리콘 기판에 정공 수송층을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이다. 도 4a 내지 도 4e는 도 1 내지 도 3의 태양전지 제조방법을 도시한 공정도들이다. 도 5는 도 1의 태양전지 제조방법으로 제작된 태양전지의 상부층을 도시한 이미지이다.
도 1, 도 2 및 도 4a를 참조하면, 본 실시예에 의한 하이브리드 태양전지 제조방법에서는 우선 복제 몰드(140)를 제작한다(단계 S10).
보다 구체적으로, 상기 복제 몰드(140)의 제작을 위해서는, 우선 실리콘 마스터(110)를 제작한다(단계 S11). 이 경우, 상기 실리콘 마스터(110)의 상면에는 상기 복제 몰드(140)에 형성되는 패턴을 고려하여 반대되는 형상의 제1 패턴부(111)를 형성한다.
상기 제1 패턴부(111)는 포토리소그라피(photolithography) 공정이나 건식 식각 공정 등을 통해 상기 실리콘 마스터(110)의 상면에 형성된다. 이 경우, 상기 제1 패턴부(111)의 형상, 간격, 선폭을 다양하게 조절할 수 있으므로 이를 바탕으로 상기 복제 몰드(140) 상에 형성되는 패턴도 다양하게 조절될 수 있다.
이 후, 상기 실리콘 마스터(110) 상에 레진(120)을 도포한다(단계 S12). 이 경우, 상기 레진(120)으로는 폴리 우레탄(polyurethane), 테프론(teflon), PDMS(polydimethylsiloxane) 등이 사용될 수 있다.
이 후, 상기 레진(120)의 상면에 기판부(130)를 밀착시키고, 상기 기판부(130)의 상부로부터 UV를 조사한다(단계 S13). 이 경우, 상기 기판부(130)는 투명 기판일 수 있으며, 예를 들어, 유리, PET(polyethylene terephthalate), PES(polyether sulfone), PC(polycarbonate) 등의 재질이 사용될 수 있다.
그리하여, 상기 레진(120)이 상기 UV 조사에 의해 경화되어 상기 기판부(130) 상에 밀착되며, 이렇게 밀착된 상기 기판부(130)와 상기 레진(120)을 상기 실리콘 마스터(110)로부터 제거하여(단계 S14), 상기 복제 몰드(10)가 제작된다.
이 경우, 상기 레진(120)이 상기 실리콘 마스터(110)로부터 보다 용이하게 탈착되도록 하기 위하여 상기 실리콘 마스터(110)의 상면에 접착을 방지하기 위한 별도의 처리를 수행할 수도 있다.
이와 같이, 나노 임프린팅 공정을 통해 상기 제1 패턴부(111)가 역으로 반영되어 형성된 제2 패턴부(121)가 상기 기판부(130) 상에 형성되어 상기 복제 몰드(140)가 완성된다.
도 1 및 도 4b를 참조하면, 상기와 같이 복제 몰드(140)를 제작한 이후, 상기 복제 몰드(140) 상에 금속(151)을 증착시켜 금속 박막(150)을 형성한다(단계 S20).
즉, 상기 복제 몰드(140)의 상면에 형성된 제2 패턴부(121)의 상부로 상기 금속(151)을 증착하여, 상기 제2 패턴부(121)의 상면 상에 금속 박막(150)을 형성한다. 상기 증착 공정에서의 금속의 종류, 증착 속도, 증착 시간 등을 다양하게 제어함으로써, 상기 금속 박막(150)의 종류 및 두께 등을 다양하게 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 패턴부(121)가 메쉬(mesh) 형상으로 돌출되도록 형성되는 경우라면, 상기 금속 박막(150)은 돌출된 상기 제2 패턴부(121)의 상면 및 돌출되지 않은 상기 레진(120)의 상면을 중심으로 형성되며, 상기 제2 패턴부(121)의 측부에는 상대적으로 증착되지 않게 된다.
한편, 도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 복제 몰드(140)의 제작과는 별도로, 실리콘 기판(210) 상에 정공 수송층을 형성한다(단계 S30).
구체적으로, 도 3 및 도 4c를 참조하면, 예를 들어 n-type의 실리콘 기판(210)을 제작하고(단계 S31), 상기 실리콘 기판(210) 상에 정공 수송층(220)을 형성한다(단계 S220).
이 경우, 상기 정공 수송층(220)은 상기 실리콘 기판(210) 상에 PEDOT:PSS를 스핀 코팅하여 형성하고, 상기 정공 수송층(220)의 두께는 예를 들어 30~200nm일 수 있다.
이 경우, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 정공 수송층(220)과 상기 실리콘 기판(210)의 상면 사이에 절연층(230)이 추가로 형성될 수 있으며, 상기 절연층(230)은 예를 들어 산화 알루미늄(Al2O3) 박막을 1~2nm 정도로 증착되어 형성될 수 있다.
이 후, 상기 실리콘 기판(210)의 후면 상에 후면 전극(240)을 형성하고(단계 S33), 상기 후면 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속을 증착 또는 스크린 프린팅 등의 공정을 통해 형성할 수 있다.
이 후, 상기 정공 수송층(220)을 열처리한다(단계 S34). 구체적으로, 상기 정공 수송층(220)을 200도 이하에서, 예를 들어 약 100~150도 정도에서 약 1~10 분 정도 열처리하여, 상기 정공 수송층(220)을 pre-baking한다.
이 경우, 상기 정공 수송층(220)의 열처리는, 질소(N2) 또는 대기가 채워진 챔버에서 수행될 수 있다. 그리하여, 상기 정공 수송층(220)의 열처리, 즉 pre-baking이 보다 용이하게 수행될 수 있다.
이와 같이, 상기 정공 수송층(220)을 열처리함으로써, 후술되는 전사공정에서 상기 금속 박막(150)이 보다 용이하게 상기 정공 수송층(220)으로 전사가 가능하며, 전사된 상기 금속 박막(150)의 상기 정공 수송층(220)에 대한 밀착성도 향상되게 된다.
이 후, 도 1 및 도 4d를 참조하면, 상기 복제 몰드(140) 상의 상기 금속 박막(150)을 상기 정공 수송층(220)의 상면으로 전사한다(단계 S40).
즉, 상기 복제 몰드(140)를 상기 금속 박막(150)이 상기 정공 수송층(220)의 상부에 위치하도록 배치하고, 상기 복제 몰드(140)와 상기 정공 수송층(220)을 근접시켜, 상기 금속 박막(150)이 상기 정공 수송층(220)의 상면에 밀착되도록 상기 복제 몰드(140)를 상기 정공 수송층(220)으로 가압시킨다.
그리하여, 상기 제2 패턴부(121)의 상면에 형성된 상기 금속 박막(150)이 상기 정공 수송층(220)의 상면으로 직접 전사되며, 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 정공 수송층(220)의 상면 상에 상기 제2 패턴부(121)와 동일한 패턴의 금속 박막(150)이 제3 패턴부(152)로 형성된다.
예를 들어, 상기 제2 패턴부(121)가 메쉬 패턴인 경우라면, 상기 제3 패턴부(152)도 도면 도시된 바와 같이 메쉬 패턴으로 형성될 수 있다.
이 경우, 앞서 설명한 바와 같이 상기 정공 수송층(220)은 소정의 열처리, 즉 pre-baking 공정이 수행된 상태이므로, 상기 금속 박막(150)이 상기 정공 수송층(220)으로 보다 용이하게 전사되며, 전사되어 형성된 상기 제3 패턴부(152)도 밀착성이 높게 형성될 수 있다.
이상과 같이, 상기 정공 수송층(220)의 상면에 금속 재질의 제3 패턴부(152)가 소정의 패턴을 가지며 형성됨으로써, 본 실시예에 의한 태양전지가 제작된다.
이 경우, 상기 제3 패턴부(152)의 연속적인 형성을 위해, 도시하지는 않았으나, 상기 제2 패턴부(121) 상에 형성된 금속 박막(150)을 롤투롤(roll to roll) 프린팅 공정을 통해 상기 정공 수송층(220) 상에 인쇄하여 형성할 수도 있다.
이를 위해서는, 상기 복제 몰드(140)는 유연성 기판부(130)를 포함하여, 롤투롤 공정에 의해 연속적으로 공급되며 이에 따라 상기 제2 패턴부(121) 상의 금속 박막(150)이 상기 정공 수송층(220)으로 연속적으로 프린팅 되어 상기 제3 패턴부(152)를 형성하게 된다.
도 5를 참조하면, 상기 정공 수송층(220)으로 형성되는 PEDOT:PSS 박막 상에 금속 메쉬 형상의 제3 패턴부(152)가 실제로 형성된 상태를 확인할 수 있으며, 도 5의 공정에서는 상기 PEDOT:PSS를 상기 실리콘 기판 상에 스핀코팅한 후, 100도에서 1분간 pre-baking 공정을 수행하고, 금(Au) 재질의 금속 메쉬를 상기 제3 패턴부로 전사한 예이다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 비록 상기 열처리 공정에서 소정의 열을 인가하는 공정이 수행되지만, 상대적으로 200도 이하의 저온에서의 열처리 공정으로, 정공 수송층의 상면에 금속 패턴을 형성하기 위해 종래의 스크린 프린팅 등의 공정을 통한 고온 열처리 공정을 생략할 수 있어 제조 공정이 보다 수월하고 생산 단가가 줄어들며, 온도 제약이 없으므로 다양한 기판 및 소자의 제작이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 태양전지 제조방법에서 실리콘 기판에 정공 수송층을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이다. 도 7a 내지 도 7e는 도 6의 태양전지 제조방법을 도시한 공정도들이다.
본 실시예에 의한 하이브리드 태양전지 제조방법은, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 상기 하이브리드 태양전지 제조방법에서 실리콘 기판을 제작하고 정공 수송층을 형성하는 공정을 제외한 다른 공정을 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 하이브리드 태양전지 제조방법에서도, 상기 복제 몰드(140)를 제작하고(단계 S10), 상기 복제 몰드(140) 상에 금속을 증착하여 금속 박막을 형성한다(단계 S20).
이 후, 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계는 하기와 같다.
즉, 도 6 및 도 7a를 참조하면, 우선, 실리콘 기판(310) 상에 금속 파우더(320)를 증착한다(단계 S131).
이 후, 도 6 및 도 7b를 참조하면, 상기 금속 파우더(320)를 이용하여 상기 실리콘 기판(310)을 식각하여 상기 실리콘 기판(310) 상에 나노 구조(311)를 형성한다(단계 S132).
이 경우, 상기 나노 구조(311)는 고종횡비(high aspect ratio)를 가지는 구조로 형성될 수 있으며, 무전해 식각 공정, 전기화학적 식각 공정, 플라즈마 건식 식각 공정 등 다양한 공정으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 상기 실리콘 기판(310) 상에 나노 구조(311)가 형성된 이후, 상기 금속 파우더(320)를 제거한다.
이 후, 도 6 및 도 7c를 참조하면, 상기 나노 구조(311)가 형성된 실리콘 기판(310) 상에 절연층(330)을 형성한다(단계 S133).
상기 절연층(330)은 산화알루미늄(Al2O3)을 증착하여 형성할 수 있으며, 이에 따라 상기 실리콘 기판(310) 상에 형성된 나노구조(311)의 표면에는 상기 절연층(330)이 균일하게 형성된다.
이 후, 도 6 및 도 7d를 참조하면, 상기 절연층(330)이 형성된 실리콘 기판(310) 상에 정공 수송층(340)을 형성한다(단계 S134).
이 경우, 상기 정공 수송층(340)은 상기 실리콘 기판(210) 상에 PEDOT:PSS를 스핀 코팅유닛(10)을 통해 스핀 코팅하여 형성할 수 있다.
이 후, 도시되지는 않았으나, 도 6을 참조하면, 상기 실리콘 기판(210)의 후면 상에 후면 전극을 형성한다(단계 S135). 또한, 상기 정공 수송층(340)을 열처리 한다(단계 S136). 이 경우, 상기 후면 전극의 형성 및 상기 정공 수송층(340)의 형성은 앞서 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
이와 같이, 상기 나노 구조(311)가 형성된 상기 실리콘 기판(310) 상에 상기 정공 수송층(340)을 형성한 상태에서, 도 1 및 도 7e를 참조하면, 상기 복제 몰드(140) 상의 금속 박막을 상기 정공 수송층(340)의 상면으로 직접 전사한다(단계 S40).
그리하여, 본 실시예에 의한 태양전지가 완성된다. 특히, 본 실시예에서와 같이 상기 나노 구조(311)가 형성된 태양전지의 경우, 나노 구조가 없는 평판 형상의 태양전지에 비해 높은 광전변환효율의 구현이 가능하게 된다.
도 8a는 도 6의 나노 구조가 형성된 실리콘 기판을 도시한 이미지이고, 도 8b는 도 6의 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에 정공 수송층이 형성된 것을 도시한 이미지이다.
도 8a를 참조하면, 본 실시예에 의한 태양전지의 제조방법에서, 실리콘 기판(310) 상에 무전해 식각을 이용해 길이 200nm, 직경 30~50nm의 나노구조(311)를 형성된 예이며, 도 8b를 참조하면, 상기 나노 구조(311) 상에 스핀코팅을 이용하여 PEDOT:PSS를 30nm 두께의 정공 수송층(340)을 형성한 예이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 의해 제작된 하이브리드 태양전지의 상부전극의 유연성을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시예들에 의해 제작된 하이브리드 태양전지의 경우, 정공 수송층 상에 금속 박막을 직접 전사하여 전극(상부 전극)을 형성한 것으로, 종래의 투명전도막, 스크린 프린팅, 스텐실 방법 등으로 제작한 전극과 달리 유연성이 매우 높다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 투명 전도막으로 사용되는 ITO 전극의 경우 굽힘 실험을 시작하자마자 전극이 급상승하는 것과 비교하여, 본 실시예에 의한 전극(Au mesh)의 경우 1,000회의 굽힘 실험을 진행하여도 저항의 변화가 거의 없이 일정한 저항을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 높은 유연성을 가지므로 유연성 태양전지의 제작이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 복제 몰드 상에 형성된 금속 박막을 정공 수송층의 상면으로 직접 전사하므로 상대적으로 태양전지의 상면 전극을 형성하는 공정을 용이하게 수행할 수 있다. 특히, 복제 몰드 상에 금속 박막으로 간격, 선폭, 두께를 변화시켜 다양한 패턴을 형성할 수 있으며 형성된 패턴이 그대로 상면 전극의 패턴으로 전사되므로, 상면 전극의 패턴 형성이 용이하고, 상면 전극의 투과도 및 전기전도도를 다양하게 조절할 수 있다.
나아가, 상면 전극을 형성하기 위한 종래의 스크린 프린팅 또는 스텐실 공정과 비교하여 수 nm까지 선폭을 줄일 수 있어 나노 패턴의 형성이 가능하고 이에 따른 shading loss의 최소화가 가능하다.
이 경우, 상기 직접 전사 공정으로 상기 복제 몰드를 상기 정공 수송층 상에 가압하여 전사하거나 롤투롤 프린팅 공정으로 전사하는 공정이 적용될 수 있어, 상대적으로 간단한 공정으로 전사가 가능하며, 공정 효율성 및 공정 정밀도가 높다.
또한, 상기 정공 수송층을 열처리한 후 전사 공정을 수행하므로, 상기 직접 전사 공정을 통해 금속 박막이 보다 용이하게 상기 정공 수송층 상으로 전사될 수 있다.
특히, 상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS로 형성되고 상기 금속 박막이 가압 등의 전사 공정으로 상면에 형성되므로, 종래의 스크린 프린팅 공정 등으로 형성되는 금속 격자(metal grid)와 달리 유연성(flexible) 특징을 가지므로, 유연성 소자에의 적용 가능성이 높다.
나아가, 상기 정공 수송층은 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에도 균일하게 형성될 수 있고, 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에도 상기 직접 전사를 통해 상기 금속 박막의 전사로 상부 전극의 형성이 가능하므로 유연성이 향상된 태양전지를 제조할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 태양전지 제조방법은 태양전지를 제조하는 공정에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
110 : 실리콘 마스터 111 : 제1 패턴부
120 : 레진 121 : 제2 패턴부
130 : 기판부 140 : 복제 몰드
150 : 금속 박막 151 : 금속
152 : 제3 패턴부 210, 310 : 실리콘 기판
220, 340 : 정공 수송층 230, 330 : 절연층
240 : 후면 전극 311 : 나노 구조
320 : 금속층
120 : 레진 121 : 제2 패턴부
130 : 기판부 140 : 복제 몰드
150 : 금속 박막 151 : 금속
152 : 제3 패턴부 210, 310 : 실리콘 기판
220, 340 : 정공 수송층 230, 330 : 절연층
240 : 후면 전극 311 : 나노 구조
320 : 금속층
Claims (11)
- 기판부 상에 실리콘 마스터의 제1 패턴부가 전사된 제2 패턴부를 포함하는 레진이 형성된 복제 몰드를 제작하는 단계;
상기 복제 몰드 상에 금속을 증착하여 상기 제2 패턴부 상에 금속 박막을 형성하는 단계;
실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계;
상기 복제 몰드의 상기 제2 패턴부 상에 형성된 금속 박막을 상기 정공 수송층의 상면으로 직접 전사하여 상기 정공 수송층 상에 제3 패턴부를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계는,
상기 실리콘 기판 상에 금속 파우더를 증착하는 단계;
상기 금속 파우더를 이용하여 상기 실리콘 기판을 식각하여 나노 구조를 형성하는 단계;
상기 나노 구조가 형성된 후 상기 금속 파우더를 제거하는 단계;
상기 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층이 형성된 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계;
상기 실리콘 기판 후면에 후면 전극을 형성하는 단계; 및
상기 정공 수송층을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 복제 몰드를 제작하는 단계는,
상기 제1 패턴부가 형성된 실리콘 마스터를 제작하는 단계;
상기 실리콘 마스터 상면에 상기 레진을 도포하는 단계;
상기 레진의 상면에 상기 기판부를 밀착시키고 UV를 조사하는 단계; 및
상기 제1 패턴부가 전사된 제2 패턴부가 형성된 상기 레진과 상기 기판부를 상기 실리콘 마스터로부터 동시에 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 레진에 형성되는 상기 제2 패턴부는 돌출 패턴이고,
상기 제3 패턴부는 메쉬(mesh) 패턴인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계는,
상기 실리콘 기판 상에 정공 수송층을 형성하는 단계;
상기 실리콘 기판 후면에 후면 전극을 형성하는 단계; 및
상기 정공 수송층을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 제4항에 있어서, 상기 정공 수송층을 열처리하는 단계는,
상기 정공 수송층을 200도 이하에서 1~10분 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 제5항에 있어서, 상기 정공 수송층을 열처리하는 단계는,
상기 정공 수송층을 질소(N2) 또는 대기가 채워진 챔버에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 정공 수송층은 상기 실리콘 기판 상에 PEDOT:PSS를 스핀코팅하여 형성하고,
상기 후면 전극은 상기 실리콘 기판의 후면에 금속을 증착 또는 스크린 프린팅하여 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 절연층을 형성하는 단계는,
상기 나노 구조가 형성된 실리콘 기판 상에 산화알루미늄(Al2O3)을 증착하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 패턴부가 상기 정공 수송층의 상면에 접촉한 상태에서 상기 복제 몰드를 상기 정공 수송층 방향으로 가압하여 상기 제2 패턴부 상의 금속 박막이 상기 정공 수송층의 상면으로 전사되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 패턴부 상의 금속 박막은 상기 정공 수송층의 상면으로 롤투롤 프린팅(roll-to-roll printing) 공정으로 전사되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 제조방법.
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| KR1020150065238A KR101673147B1 (ko) | 2015-05-11 | 2015-05-11 | 하이브리드 태양전지 제조방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Citations (2)
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| KR20020000321A (ko) * | 2000-06-23 | 2002-01-05 | 김순택 | 유기 전자발광소자의 제조방법 |
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