KR102140682B1 - 유기 태양전지 및 이를 포함하는 유기 태양전지 모듈 - Google Patents

유기 태양전지 및 이를 포함하는 유기 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명기판 상부에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 및 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극 및 태양전지용 봉지재 시트;를 포함하고, 상기 금속전극은 상기 태양전지용 봉지재 시트 내부에 매립된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다. 본 발명에 따른 유기 태양전지는 내구성 및 안정성이 우수하며, 태양전지의 두께를 줄일 수 있어 유연 소자로 적용이 용이하다. 또한, 유기 태양전지 모듈로 적용시 전극 연결이 용이한 효과가 있다.

Description

유기 태양전지 및 이를 포함하는 유기 태양전지 모듈{Organic solar cells and organic solar cell modules comprising them}
본 발명은 유기 태양전지 및 이를 포함하는 모듈에 관한 것이다.
최근 에너지 문제는 전 세계적인 관심사가 되고 있다. 지금까지 주요 에너지원으로 사용해 온 값싼 화석연료들은 더 이상 값싼 에너지가 될 수 없을 것이라는 전망이 나오고 있다. 일예로 원유의 가격은 매년 상승하고 있으며, 석유 매장량의 한계로 인하여 원유의 가격은 점차 상승할 수밖에 없다는 것이 전문가들의 의견이다. 세계에 서 가장 큰 에너지 기업 중 하나인 BP의 통계에 따르면 현재 인류가 사용하고 있는 주 에너지원들의 가채년수(매장량/1년 생산량)는 석유가 약 40년, 길게는 80년으로 평가되고 있다. 또한, 천연가스, 석탄의 경우 각각 60 내지 176년, 200년으로 추정된다. 이와 같이, 가장 많이 소비하고 있는 에너지인 석유의 고갈이 예상되는 향후 40년 후에는 타 에너지의 고갈 속도가 더욱 가속화될 것이다.
또한, 화석연료는 연소할 때 이산화탄소나 아황산가스 같은 대기오염 물질을 배출하여 환경오염을 유발시킨다. 특히, 이산화탄소는 대기 중에서 온실효과를 일으켜 지구의 온난화를 초래하여 평균온도의 상승, 해수면 상승, 이상기후 등 자연 재앙을 일으키는 원인이 된다. 지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출을 규제하기 위하여 1997년 12월 교토의정서를 채택하게 되었고, 2005년 2월 16일 교토의정서가 정식으로 발효되어 이산화탄소 감소 프로그램이 시행되고 있다. 우리나라는 2013년부터 이산화탄소 규제 대상국에 포함되어 이에 대한 대비가 시급한 실정이다.
이 같은 상황하에서 인류의 생존을 위해 청정 대체에너지에 대한 개발은 필수적이다. 이를 해결하기 위한 대표적인 대체에너지로 태양에너지, 수력에너지, 풍력에너지, 조력에너지 등이 있으며, 이 중 태양에너지는 공해가 발생하지 않으며, 자원의 무한함 등의 장점이 있어 화석연료로 인한 환경오염과 에너지 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 에너지원으로 손꼽히고 있다.
태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치를 의미하며,통상적으로 p형과 n형의 반도체를 접합시킨 pn접합형 반도체 구조인 태양 전지를 광노출킴으로써 (+)전기를 가진 전자와 (-)전기를 가진 정공(hole)을 생성시킨 후, 전자와 정공을 각각의 전극으로 이동시켜 기전력을 발생시키는 원리로 작동된다. 현재 태양전지는 실리콘 태양전지가 발전용으로 가장 많이 사용되고 있지만, 실리콘 태양전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화에 어려움을 겪고 있고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 있다. 이를 해결하기 위하여 제작비용이 현저히 저렴한 염료감응형 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell), 유기 태양전지, CIGS(Cu(In,Ga)Se2) 박막형 태양전지, Si 박막형 태양전지, CdTe 박막형 태양전지 등의 다양한 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 다양한 종류의 태양전지 중, 유기 태양전지는 프린팅 또는 코팅 방식에 의해 저가공정이 가능하고, 모양에 구애받지 않으며, 그 구조가 염료감응 태양전지에 비해 매우 단순한 구조로 이루어질 수 있어 현재 많은 연구가 수행되고 있다.
한편, 유기 태양전지에 사용되는 대부분의 유기물 박막은 공기 중의 수분이나 산소에 취약하여 수분이나 산소 침투 시 유기물 박막의 열화가 급속하게 일어나 광학적, 전기적, 기계적 특성의 변화가 일어난다. 또한, 수분이나 산소가 전극층의 핀홀이나 표면결함을 통해 유기물 층으로 침투할 경우 부식이나 산화 반응이 금속전극과 유기물 박막 사이의 계면에서 일어나 전극 들뜸 현상과 접촉저항의 증가가 일어나 유기 태양전지의 수명이 급속하게 감소하게 된다.
이러한 산소나 수분의 침투에 의한 유기 태양전지의 열화를 막고 수명을 증가시키기 위해 단일층 혹은 다층 박막을 이용하여 유기 태양전지를 보호하는 투명 박막 봉지(Transparent thin film passivation) 공정은 고품위 플렉시블 유기 태양전지 제작을 위한 핵심 재료이며 기술이다.
따라서, 유기 태양전지의 제작시 각각 독립적으로 유기 태양전지의 기능을 발휘할 수 있는 유기 태양전지 모듈을 산소 및 수분을 포함하는 외부 환경으로부터 차단시킬 필요가 있으며, 일반적으로 일면에 광학 투명 접착제(Optical Clear Adhesive, OCA)가 부착된 투명 베리어(barrier) 필름을 이용하여 라미네이팅 공정을 거쳐 유기 태양전지 모듈을 산소 및 수분으로부터 보호하게 된다.
그러나, 이러한 방법은 추가적인 공정이 요구될 뿐만 아니라, 접착제가 부착된 배리어 필름을 사용하여 유기 태양전지를 봉지한 것이므로 두께가 두꺼워져 유연성이 부족한 문제도 있다.
또한, 태양전지 셀을 복수 개 연결하여 전기적으로 접속하는 모듈화 기술도 진행되고 있다. 상기 모듈화 기술에는 복수 개의 태양전지 셀을 금속 인터커넥터로 전기적으로 연결하는 방법 등이 있으나, 유연 소자를 제조하기엔 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1234335호
전술한 문제점을 해결하고자, 본 발명자들은 유기 태양전지의 내구성 및 안정성을 향상시킴과 동시에 모듈화를 용이하게 하는 구조에 대하여 연구하던 중, 금속전극이 매립된 구조의 태양전지용 봉지재 시트를 유기 태양전지에 적용함으로써 유기 태양전지의 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 이와 동시에 모듈 제조가 용이한 구조인 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 내구성 및 안정성이 우수한 유기 태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 모듈의 전극 연결이 용이한 유기 태양전지 모듈을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
투명기판 상부에 형성된 투명전극;
상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 및
상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극 및 태양전지용 봉지재 시트;를 포함하고,
상기 금속전극은 상기 태양전지용 봉지재 시트 내부에 매립된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은
투명기판 상부에 투명전극을 형성하는 단계;
상기 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계;
상기 유기 광활성층 상부에 금속전극을 형성하는 단계; 및
상기 금속전극 상부에 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하여 상기 금속전극을 태양전지용 봉지재 시트 내부로 매립시키는 단계;를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
투명기판 상부에 투명전극을 형성하는 단계;
상기 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계; 및
금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 준비하고, 상기 유기 광활성층 상부에 금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하는 단계;를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
복수 개의 단위 셀을 포함하는 유기 태양전지 모듈로서,
상기 단위 셀은 투명기판 상부에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극이 내부에 매립된 태양전지용 봉지재 시트; 및 상기 투명기판 하부에 형성된 태양전지용 봉지재 시트를 포함하는 유기 태양전지이고,
상기 단위 셀의 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되며, 상기 단위 셀의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되고,
서로 인접하는 2개의 단위 셀인 제1 셀 및 제2 셀에 있어서,
상기 제1 셀에서 일단부에 형성된 투명전극과 상기 제2 셀에서 타단부에 형성된 금속전극은 서로 물리적으로 접촉하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 모듈을 제공한다.
나아가, 본 발명은
투명기판 상부에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극이 내부에 매립된 태양전지용 봉지재 시트; 및 상기 투명기판 하부에 형성된 태양전지용 봉지재 시트를 포함하는 유기 태양전지이고, 상기 유기 태양전지의 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되며, 상기 유기 태양전지의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성된 유기 태양전지인 단위 셀을 준비하는 단계;
복수 개의 단위 셀을 배치하는 단계; 및
배치된 단위 셀을 가열 및 가압하여 서로 인접하는 단위 셀의 투명전극 및 금속전극을 접촉시키는 단계;를 포함하는 유기 태양전지 모듈의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 내구성 및 안정성이 우수하며, 태양전지의 두께를 줄일 수 있어 유연 소자로 적용이 용이하다. 또한, 유기 태양전지 모듈로 적용시 전극 연결이 용이한 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은
투명기판 상부에 형성된 투명전극;
상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 및
상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극 및 태양전지용 봉지재 시트;를 포함하고,
상기 금속전극은 상기 태양전지용 봉지재 시트 내부에 매립된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
이때, 도 1 및 도 2에 본 발명에 따른 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 도시하였으며,
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 유기 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지(100)는 투명기판(101); 상기 투명기판 상부에 형성된 투명전극(102); 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층(103); 및 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극(104) 및 태양전지용 봉지재 시트(105);를 포함하고, 상기 금속전극은 상기 태양전지용 봉지재 시트 내부에 매립된 구조이다.
상기 유기 태양전지(100)는 일반적으로 사용되는 상부 기판을 포함하지 않으며, 금속전극(104)이 매립된 태양전지용 봉지재 시트(105)를 포함한다.
상기 태양전지용 봉지재 시트(105)는 상업화된 태양전지용 봉지재 시트를 사용할 수 있고, 구체적인 일례로 에틸렌비닐아세테이트 공중합체(EVA) 소재로 이루어진 시트를 사용하는 것이 바람직하며, 25% 내지 35%의 비닐아세테이트 함량을 가지는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 소재로 이루어진 시트를 사용할 수 있다.
이때, 상기 태양전지용 봉지재 시트(105) 내부에 매립된 금속전극(104)은 리튬플로라이드와 알루미늄 적층(LiF/Al), 칼슘과 알루미늄 적층(Ca/Al), 칼슘과 은 적층(Ca/Ag), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 백금(Pt), 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd) 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 금속전극(104)은 패턴화된 것일 수 있으며, 일례로 상기 패턴은 시트 형태, 매쉬(mesh) 형태 등일 수 있다.
나아가, 상기 금속전극(104)은 유기 태양전지(100)의 타단부로 유기 광활성층(103)을 지나 연장되어 형성될 수 있다. 상기 유기 태양전지의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성됨으로써 금속전극이 외부로 노출되어 형성된 것일 수 있다. 이와 같이 노출된 금속전극은 모듈 제조시 투명전극과 물리적으로 접촉하여 전기적으로 연결됨으로써 모듈화될 수 있다.
한편, 상기 투명기판(101)은 유기태양전지에 적용될 수 있는 투명기판이라면 특별히 제한되지는 않지만, 바람직하게는 플렉서블한 특성을 가지는 유연기판인 것이 바람직하며, 상기 유연기판으로는 고분자 유연기판 또는 금속 유연기판을 적용할 수 있다.
상기 고분자 유연기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀폴리머(COP), 사이클로올레핀코폴리머(COC), 디시클로펜타디엔폴리머(DCPD), 시클로펜타디엔폴리머(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘수지, 불소수지, 변성에폭시수지 등의 고분자 재질일 수 있으며, 상기 금속 유연기판은 알루미늄과 같이 유연성이 우수한 금속 소재의 기판을 사용할 수 있으나, 상기 유연기판이 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 투명전극(102)은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 갈륨징크옥사이드(GZO), 플로린틴옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물 또는 금속 산화물-금속-금속 산화물로 형성될 수 있고, PEDOT:PSS 또는 폴리아닐린(PANI) 등의 유기전도체 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
나아가, 10 nm 정도 두께의 은 박막, 금 박막 등의 금속 박막으로 상기 투명전극이 형성될 수 있고, 직경이 5~100 nm 정도의 은 나노와이어(nanowire), 금 나노와이어, 구리 나노와이어, 백금 나노와이어 등을 코팅하여 형성되는 박막으로 상기 투명전극이 형성될 수 있으며, 상기 투명전극을 형성하는 재료들 중 1종 이상을 혼합하여 투명전극을 형성할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소(carbon)계 물질을 코팅함으로써 상기 투명전극이 형성될 수 있다.
나아가, 상기 투명전극(101)은 유기 태양전지(100)의 일단부로 유기 광활성층(103)을 지나 연장되어 형성될 수 있다. 상기 유기 태양전지의 타단부는 금속전극(104)이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성됨으로써 금속전극이 외부로 노출되어 형성되고, 상기 유기 태양전지의 타단부와 대향되는 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성됨으로써 투명전극 또한 외부로 노출되어 형성된 것일 수 있다. 이와 같이 노출된 투명전극은 모듈 제조시 금속전극과 물리적으로 접촉하여 전기적으로 연결됨으로써 모듈화될 수 있다.
나아가, 상기 유기 광활성층(103)은 전자주게 물질(electron donor)과 전자받게 물질(electron acceptor)이 적절하게 혼합된 이중연속상 상호침투 망상형 고분자 복합막으로 제조될 수 있다. 상기 전자주게 물질로는 폴리티오팬 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 유도체, 폴리 플로렌 유도체, 폴리아세틸렌 유도체, 폴리피롤 유도체, 폴리비닐카바졸 유도체, 폴리아닐린 유도체 및 폴리페닐렌비닐렌 유도체 등을 사용할 수 있고, 전자받게 물질로는 플러렌(C60 플러렌 및 C70 플러렌) 및 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실 비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole, PTCBI)과 같은 유기계 전자친화성 재료 및 이의 유도체 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 유기 태양전지(100)는 상기 투명전극(102) 및 유기 광활성층(103) 사이 및 유기 광활성층 및 금속전극(104) 사이에는 각각 전자전달층 또는 정공수송층이 형성될 수 있다.
상기 전자전달층(electron transfer layer)은 광활성층에서 생성된 전자가 인접한 전극으로 용이하게 전달되도록 한다. 전자전달층은 공지된 재료를 제한없이 사용할 수 있으며, 일례로서, 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)(aluminium tris( 8-hydroxyquinoline), Alq3), 리튬플로라이드(LiF), 리튬착체(8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq), 비공액고분자, 비공액 고분자 전해질, 공액 고분자 전해질, 또는 n-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 n-형 금속 산화물은 일예로, TiOx, ZnO 또는 Cs2CO3 일 수 있다. 또한, 상기 전자전달층으로 금속층의 자기조립 박막을 사용할 수 있다.
상기 정공수송층(hole transport layer)으로 이미 공지된 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, MTDATA, TDATA, NPB, PEDOT:PSS, TPD 또는 p-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. p-형 금속 산화물은 일 예로, MoO3 또는 V2O5일 수 있다. 또한, 정공수송층으로 금속층의 자기조립 박막을 사용할 수 있다. Ni 같은 물질을 증착하여 열처리 하여 형성된 자기조립박막을 기능층으로 사용할 수 있다.
또한, 상기 유기 태양전지(104)는 투명기판(101) 일면에 위치하는 태양전지용 봉지재 시트(106)를 더 포함할 수 있다. 투명기판만으로는 산소 침투 등의 유기 태양전지의 성능을 저하시키는 요인을 방지하기는 어렵다. 이에 태양전지 봉지재 시트를 형성함으로써 방지할 수 있다.
나아가, 상기 유기 태양전지(100)는 투명기판(101) 일면에 위치하는 투광형 UV 차단층을 더 포함할 수 있다. 광 입사 방향인 투명전극(102)이 형성된 투명기판(101)의 투명전극이 형성되지 않은 타면에 투광형 UV 차단층을 포함할 수 있다. 구체적인 일례로, 상기 투명기판 및 태양전지용 봉지재 시트(106) 사이에 투광형 UV 차단층이 형성될 수 있다.
이때, 상기 금속전극(104)이 매립된 태양전지용 봉지재 시트(105)와 투명기판(101) 일면에 위치하는 태양전지용 봉지재 시트(106)는 핫프레스를 수행하여 형성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명은
투명기판 상부에 투명전극을 형성하는 단계;
상기 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계;
상기 유기 광활성층 상부에 금속전극을 형성하는 단계; 및
상기 금속전극 상부에 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하여 상기 금속전극을 태양전지용 봉지재 시트 내부로 매립시키는 단계;를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이때, 도 3에 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법을 개략적으로 나타내었으며,
이하, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 투명기판 상부에 투명전극을 형성하는 단계를 설명한다.
상기 투명기판(101)은 유기태양전지에 적용될 수 있는 투명기판이라면 특별히 제한되지는 않지만, 바람직하게는 플렉서블한 특성을 가지는 유연기판인 것이 바람직하며, 상기 유연기판으로는 고분자 유연기판 또는 금속 유연기판을 적용할 수 있다.
상기 고분자 유연기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀폴리머(COP), 사이클로올레핀코폴리머(COC), 디시클로펜타디엔폴리머(DCPD), 시클로펜타디엔폴리머(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘수지, 불소수지, 변성에폭시수지 등의 고분자 재질일 수 있으며, 상기 금속 유연기판은 알루미늄과 같이 유연성이 우수한 금속 소재의 기판을 사용할 수 있으나, 상기 유연기판이 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 투명전극(102)은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 갈륨징크옥사이드(GZO), 플로린틴옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물 또는 금속 산화물-금속-금속 산화물로 형성될 수 있고, PEDOT:PSS 또는 폴리아닐린(PANI) 등의 유기전도체 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 나아가, 10 nm 정도 두께의 은 박막, 금 박막 등의 금속 박막으로 상기 투명전극이 형성될 수 있고, 직경이 5~100 nm 정도의 은 나노와이어(nanowire), 금 나노와이어, 구리 나노와이어, 백금 나노와이어 등을 코팅하여 형성되는 박막으로 상기 투명전극이 형성될 수 있으며, 상기 투명전극을 형성하는 재료들 중 1종 이상을 혼합하여 투명전극을 형성할 수 있다.
나아가, 상기 투명전극(102)은 DC 스퍼터링 방식, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD) 및 졸겔 코팅(Solgel coating) 등에 의한 방법을 통해 형성될 수 있으며, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소(carbon)계 물질을 코팅함으로써 상기 투명전극이 형성될 수 있다.
다음으로, 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계를 설명한다.
나아가, 상기 유기 광활성층(103)은 전자주게 물질(electron donor)과 전자받게 물질(electron acceptor)이 적절하게 혼합된 이중연속상 상호침투 망상형 고분자 복합막으로 제조될 수 있다. 상기 전자주게 물질로는 폴리티오팬 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 유도체, 폴리 플로렌 유도체, 폴리아세틸렌 유도체, 폴리피롤 유도체, 폴리비닐카바졸 유도체, 폴리아닐린 유도체 및 폴리페닐렌비닐렌 유도체 등을 사용할 수 있고, 전자받게 물질로는 플러렌(C60 플러렌 및 C70 플러렌) 및 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실 비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole, PTCBI)과 같은 유기계 전자친화성 재료 및 이의 유도체 등을 사용할 수 있다.
상기 유기 광활성층(103)은 상기 물질들을 용해 또는 분산시킨 용액을 사용하여 적층할 수 있으며, 이때 사용되는 용매로는 클로로포름, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠 및 톨루엔 등의 극성 용매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
나아가, 상기 물질들이 분산된 용액을 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 그라비아 프린팅법 등의 방법을 통하여 적층할 수 있으나, 금속 산화물을 코팅할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
다음으로, 유기 광활성층 상부에 금속전극을 형성하는 단계를 설명한다.
상기 금속전극(104)은 리튬플로라이드와 알루미늄 적층(LiF/Al), 칼슘과 알루미늄 적층(Ca/Al), 칼슘과 은 적층(Ca/Ag), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 백금(Pt), 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd) 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 금속전극(104)은 패턴을 형성할 수 있으며, 일례로 상기 패턴은 시트 형태, 매쉬(mesh) 형태 등일 수 있다.
다음으로, 금속전극 상부에 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하여 상기 금속전극을 태양전지용 봉지재 시트 내부로 매립시키는 단계이다.
본 발명에 따른 유기 태양전지(100)의 제조방법은 금속전극(104) 상부에 태양전지용 봉지재 시트(105)를 위치시킨 후, 핫프레스 등의 가열 및 가압을 통해 금속전극을 태양전지용 봉지재 시트 내부로 매립시킨다.
상기 방법으로 제조되는 유기 태양전지(100)는 일반적으로 사용되는 상부 기판을 포함하지 않으며, 금속전극(104)이 매립된 태양전지용 봉지재 시트(105)를 포함한다.
상기 태양전지용 봉지재 시트(105)는 상업화된 태양전지용 봉지재 시트를 사용할 수 있고, 구체적인 일례로 에틸렌비닐아세테이트 공중합체(EVA) 소재로 이루어진 시트를 사용하는 것이 바람직하며, 25% 내지 35%의 비닐아세테이트 함량을 가지는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 소재로 이루어진 시트를 사용할 수 있다.
또한, 금속전극(104) 상부에 태양전지용 봉지재 시트(105)를 위치시킴과 동시에, 투명기판 하부에 태양전지용 봉지재 시트(106)를 위치시켜 가열 및 가압하여 유기 태양전지를 제조할 수 있다.
한편, 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계를 수행하기 전 또는 유기 광활성층 상부에 금속전극을 형성하는 단계를 수행하기 전에 상기 투명전극 상부 또는 상기 유기 광활성층 상부에 전자전달층 또는 정공수송층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전자전달층(electron transfer layer)은 광활성층에서 생성된 전자가 인접한 전극으로 용이하게 전달되도록 한다. 전자전달층은 공지된 재료를 제한없이 사용할 수 있으며, 일례로서, 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)(aluminium tris(8-hydroxyquinoline), Alq3), 리튬플로라이드(LiF), 리튬착체(8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq), 비공액고분자, 비공액 고분자 전해질, 공액 고분자 전해질, 또는 n-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 n-형 금속 산화물은 일례로, TiOx, ZnO 또는 Cs2CO3 일 수 있다. 또한, 상기 전자전달층으로 금속층의 자기조립 박막을 사용할 수 있다.
상기 정공수송층(hole transport layer)으로 이미 공지된 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, MTDATA, TDATA, NPB, PEDOT:PSS, TPD 또는 p-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. p-형 금속 산화물은 일 예로, MoO3 또는 V2O5일 수 있다. 또한, 정공수송층으로 금속층의 자기조립 박막을 사용할 수 있다. Ni 같은 물질을 증착하여 열처리 하여 형성된 자기조립박막을 기능층으로 사용할 수 있다.
상기 전자전달층 또는 정공수송층은 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법 등에 의해 적층될 수 있으며, 진공 하에서 열증착이나 스퍼터링 방식에 의해 적층될 수도 있다.
나아가, 본 발명은
투명기판 상부에 투명전극을 형성하는 단계;
상기 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계; 및
금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 준비하고, 상기 유기 광활성층 상부에 금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하는 단계;를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이때, 도 4에 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법을 개략적으로 나타내었으며,
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
투명기판 상부에 투명전극을 형성하는 단계; 및 상기 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계;는 전술한 바와 같으므로 이하에 상세한 설명을 생략한다.
다음으로, 금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 준비하고, 상기 유기 광활성층 상부에 금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하는 단계를 설명한다.
상기 유기 광활성층(103) 상부에 금속전극(104) 및 태양전지용 봉지재 시트(105)를 형성시키기 전에, 미리 금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 준비한 후, 준비된 금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 유기 광활성층 상부에위치시킨 후, 핫프레스 등의 가열 및 가압하는 방법을 수행하여 유기 태양전지(100)를 제조할 수 있다.
상기 금속전극(104)이 매립된 태양전지용 봉지재 시트(105)의 준비는 금속전극을 형성하는 단계; 및 상기 금속전극 상부에 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하여 상기 금속전극을 태양전지용 봉지재 시트 내부로 매립시키는 단계;를 통해 수행될 수 있다.
또는, 상기 금속전극(104)이 매립된 태양전지용 봉지재 시트(105)의 준비는 금속전극(104)을 형성하는 단계; 및 상기 금속전극 상부에 태양전지용 봉지재 시트로 사용되는 소재를 도포한 후, 도포된 소재를 경화시켜 금속전극이 내부에 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 제조하는 단계;를 통해 수행될 수 있다.
또한, 유기 광활성층(103) 상부에 금속전극(104)이 매립된 태양전지용 봉지재 시트(105)를 위치를 위치시킴과 동시에, 투명기판(101) 하부에 태양전지용 봉지재 시트(106)를 위치시켜 가열 및 가압하여 유기 태양전지를 제조할 수 있다.
나아가, 본 발명은
복수 개의 단위 셀을 포함하는 유기 태양전지 모듈로서,
상기 단위 셀은 투명기판 상부에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극이 내부에 매립된 태양전지용 봉지재 시트; 및 상기 투명기판 하부에 형성된 태양전지용 봉지재 시트를 포함하는 유기 태양전지이고,
상기 단위 셀의 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되며, 상기 단위 셀의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되고,
서로 인접하는 2개의 단위 셀인 제1 셀 및 제2 셀에 있어서,
상기 제1 셀에서 일단부에 형성된 투명전극과 상기 제2 셀에서 타단부에 형성된 금속전극은 서로 물리적으로 접촉하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 유기 태양전지 모듈은 전극 연결이 용이한 구조의 단위 셀을 포함한다. 상기 단위 셀은 전술한 유기 태양전지와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 유기 태양전지 모듈의 단위 셀은 일단부에 투명전극의 최소한 일부가 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되고, 그 단위 셀의 타단부에 금속전극의 최소한 일부가 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성된 구조인 것이 바람직하다. 단위 셀의 일단부 및 일단부에 대향하는 타단부에 각각의 전극(투명전극 또는 금속전극)이 형성되어 모듈의 물리적 접촉 및 전기적 연결을 용이하게 한다.
이때, 유기 태양전지 모듈은 복수 개의 단위 셀이 규칙적으로 나열되어 있고, 나열된 단위 셀 중 인접하는 2개의 단위 셀인 제1 셀 및 제2 셀은 물리적으로 접촉하여 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 제1 셀에서 일단부에 형성된 투명전극과, 상기 제2 셀에서 타단부에 형성된 금속전극이 전기적으로 연결되어 모듈을 구성한다. 제1 셀 및 제2 셀은 각각 일단부 및 일단부에 대향하는 타단부에 각각의 전극이 노출되는 데, 규칙적으로 배치됨으로써 제1 셀의 일단부에 형성된 투명전극 및 제 2셀의 타단부에 형성된 금속전극의 전기적 연결이 용이하다. 더욱이, 본 발명에서 제시하는 단위 셀에서 금속전극은 태양전지용 봉지재 시트에 매립된 구조로서 유연성 및 내구성을 확보하여 모듈화에 더욱 용이하다.
더욱 나아가, 본 발명은
투명기판 상부에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극이 내부에 매립된 태양전지용 봉지재 시트; 및 상기 투명기판 하부에 형성된 태양전지용 봉지재 시트를 포함하는 유기 태양전지이고, 상기 유기 태양전지의 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되며, 상기 유기 태양전지의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성된 유기 태양전지인 단위 셀을 준비하는 단계;
복수 개의 단위 셀을 배치하는 단계; 및
배치된 단위 셀을 가열 및 가압하여 서로 인접하는 단위 셀의 투명전극 및 금속전극을 접촉시키는 단계;를 포함하는 유기 태양전지 모듈의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기 태양전지 모듈의 제조방법은 전술한 유기 태양전지를 단위 셀로 이용하여 모듈화하는 방법으로, 투명기판(101) 상부에 형성된 투명전극(102); 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층(103); 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극(104)이 내부에 매립된 태양전지용 봉지재 시트(105); 및 상기 투명기판 하부에 형성된 태양전지용 봉지재 시트(106)를 포함하는 유기 태양전지이고, 상기 유기 태양전지의 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되며, 상기 유기 태양전지의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성된 유기 태양전지를 단위 셀로 사용하는 것이 바람직하다.
상기에서 준비된 유기 태양전지를 단위 셀로 사용하여, 복수 개의 단위 셀을 배치한다. 구체적인 일례로, 태양전지 모듈화를 위한 프레임에 복수 개의 단위 셀을 일정한 간격으로 이격하여 규칙적으로 배치할 수 있다.
이후, 배치된 단위 셀을 수직 방향으로 가열 및 가압하여 서로 인접하여 배치된 단위 셀의 투명전극 및 금속전극을 접촉시켜 전기적으로 연결시킨다. 배치된 단위 셀 중 서로 인접하여 배치된 2개의 단위 셀을 제1 셀 및 제2 셀이라고 한다면, 제1 셀의 일단부에 형성된 투명전극과, 제2 셀의 타단부에 형성된 금속전극을 물리적으로 접촉시킴으로써 모듈화를 수행할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 유기 태양전지
101 : 투명기판
102 : 투명전극
103 : 유기 광활성층
104 : 금속전극
105 : 태양전지용 봉지재 시트
106 : 태양전지용 봉지재 시트

Claims (12)

  1. 투명기판 상부에 형성된 투명전극;
    상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 및
    상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극 및 태양전지용 봉지재 시트;를 포함하고,
    상기 금속전극은 상기 태양전지용 봉지재 시트 내부에 매립된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지용 봉지재 시트는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체(EVA) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속전극은 패턴화된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기 태양전지의 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되며, 상기 유기 태양전지의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유기 태양전지는,
    상기 투명전극 및 유기 광활성층 사이에 형성된 전자전달층 또는 정공수송층을 포함하는 유기 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유기 태양전지는,
    상기 유기 광활성층 및 금속전극 사이에 형성된 전자전달층 또는 정공수송층을 포함하는 유기 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유기 태양전지는 투명기판 일면에 위치하는 태양전지용 봉지재 시트를 더 포함하는 유기 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유기 태양전지는 투명기판 일면에 위치하는 투광형 UV 차단층을 더 포함하는 유기 태양전지.
  9. 투명기판 상부에 투명전극을 형성하는 단계;
    상기 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계;
    상기 유기 광활성층 상부에 금속전극을 형성하는 단계; 및
    상기 금속전극 상부에 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하여 상기 금속전극을 태양전지용 봉지재 시트 내부로 매립시키는 단계;를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법.
  10. 투명기판 상부에 투명전극을 형성하는 단계;
    상기 투명전극 상부에 유기 광활성층을 형성하는 단계; 및
    금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 준비하고, 상기 유기 광활성층 상부에 금속전극이 매립된 태양전지용 봉지재 시트를 위치시킨 후, 가열 및 가압하는 단계;를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법.
  11. 복수 개의 단위 셀을 포함하는 유기 태양전지 모듈로서,
    상기 단위 셀은 투명기판 상부에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극이 내부에 매립된 태양전지용 봉지재 시트; 및 상기 투명기판 하부에 형성된 태양전지용 봉지재 시트를 포함하는 유기 태양전지이고,
    상기 단위 셀의 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되며, 상기 단위 셀의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되고,
    서로 인접하는 2개의 단위 셀인 제1 셀 및 제2 셀에 있어서,
    상기 제1 셀에서 일단부에 형성된 투명전극과 상기 제2 셀에서 타단부에 형성된 금속전극은 서로 물리적으로 접촉하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 모듈.
  12. 투명기판 상부에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 상부에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상부에 형성된 금속전극이 내부에 매립된 태양전지용 봉지재 시트; 및 상기 투명기판 하부에 형성된 태양전지용 봉지재 시트를 포함하는 유기 태양전지이고, 상기 유기 태양전지의 일단부는 투명전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성되며, 상기 유기 태양전지의 타단부는 금속전극이 유기 광활성층을 지나 연장되어 형성된 유기 태양전지인 단위 셀을 준비하는 단계;
    복수 개의 단위 셀을 배치하는 단계; 및
    배치된 단위 셀을 가열 및 가압하여 서로 인접하는 단위 셀의 투명전극 및 금속전극을 접촉시키는 단계;를 포함하는 유기 태양전지 모듈의 제조방법.
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JP2007042460A (ja) * 2005-08-03 2007-02-15 Ngk Spark Plug Co Ltd 色素増感型太陽電池及びその封止方法

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