KR102165322B1 - 후면 반사 색상이 조절되는 유연 박막태양전지 - Google Patents

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Abstract

후면 반사 색상이 조절되는 유연 박막태양전지가 제공된다. 상기 유연 박막태양전지는 유기고분자 필름을 포함하는 기판; 상기 기판 상에 배치된 금속전극층; 및 상기 기판과 금속전극층 사이에 배치되며, 금속 나노입자를 포함하는 나노복합소재로 이루어지는 중간층;을 포함한다. 상기 유연 박막태양전지는 기판 배면에서 나타나는 색상이 사람에게 친화적이고 심미적인 색상으로 변화시킬 수 있다.

Description

후면 반사 색상이 조절되는 유연 박막태양전지 {Flexible thin film solar cells with back side of controllable color}
박막태양전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 유기고분자 필름을 기판으로 사용하며 건물의 창유리나 자동차의 선루프 같이 빛의 출입이 요구되는 곳에 사용될 수 있는 유연 박막태양전지에 관한 것으로서, 후면 반사 색상이 조절되는 유연 박막태양전지에 관한 것이다.
근래에 들어 태양전지 모듈을 건물 일체형 태양광 모듈(Building-integrated photovoltaics, BIPV)로 사용하여 에너지 절감을 꾀하는 수요가 늘고 있으며, 투명 또는 일부 투명한 태양전지 모듈을 창유리에도 적용하여 에너지 생산뿐 아니라 투광을 제어하려는 움직임도 점차 증대되고 있다. 유연(flexible) 박막태양전지는 무게가 가벼울 뿐만 아니라, 모듈을 건물 모양과 목적에 맞게 자유스럽게 재단하여 설치하는 것이 용이하므로 BIPV 용이나 또는 자동차의 선루프 등에 적용을 목적으로 많이 연구되고 있다. 유연 태양전지의 기판으로는 roll-to-roll 공정이 용이한 아주 얇은 금속판이나 유기고분자 계열의 필름을 사용한다. 유기고분자 계열의 플라스틱 기판은 무게가 가벼울 뿐만 아니라, 금속 기판에서는 얻을 수 없는 가시광 영역에서 투명한 특성을 제공하는 장점을 가진다.
그러나 유기고분자 계열의 플라스틱 기판은 내열성에 있어서 한계를 가진다. 특히 저가의 투명한 기판인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리메텔 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN) 등의 유연기판들은 모두 200℃ 이하의 내열성만을 가지고 있어 고온공정이 필요한 경우 그 사용이 제한될 수밖에 없다. 한편 폴리이미드계 유연 플라스틱 소재는 거의 450-500℃ 부근의 온도에서도 견디는 뛰어난 내열성을 가지고 있어 고온 공정이 필요로 되는 유연 소자의 기판재료로 가장 많은 연구가 이루어지고 있다.　　
CIGS(Cu(In1-x,Gax)(Se,S)2), CZTS(Cu2ZnSn(Se,S)4) 등 Se, S계 박막태양전지는 높은 광흡수율과 우수한 반도체 특성으로 인해 높은 광전변환효율의 달성이 가능하여 차세대 저가 고효율 태양전지로 기대되고 있다. CIGS 태양전지는 투명한 유리뿐만 아니라 스테인리스강, 티타늄과 같은 금속기판, 폴리이미드(PI) 기판과 같은 유연기판 상에서도 고효율 태양전지를 구현할 수 있어 roll-to-roll 공정 구현을 통한 저가화가 가능하며, 가볍고 내구성이 우수하여 설치비용의 감소를 기대할 수 있고, 유연성으로 인한 BIPV 및 자동차용 또는 다양한 휴대용 에너지원으로의 응용분야 다각화를 꾀할 수 있다. 또한 최근에는 불투명한 박막태양전지도 일정 분율의 개구를 형성하여, 투광성을 가지면서도 효율이 높은 창호용 태양전지의 개발도 주목되고 있다.
도 1은 기판 위에 하부 금속전극층이 먼저 증착되는 서브스트레이트(substrate) 구조를 가지는 박막태양전지의 보편적인 구조를 도시하고 있다. 도 1에서 보는 바와 같이, 기판(1) 상에 불투명 금속전극층(2)이 구비되며, 불투명 금속전극층(2) 상에는 광 흡수층(3)이 구비되며, 광 흡수층(3) 상에는 전면 투명전극층(4)이 구비되는 구조로 되어 있다. 상기 전면 투명전극층(4)은 필요에 따라 이중 구조로 나누어 질 수도 있으며, 광 흡수증(3)과 투명전극층(4) 사이에는 필요에 따라 버퍼층 등을 두기도 한다. Se, S계 박막태양전지는 서브스트레이트(substrate) 구조를 가지는 대표적인 박막태양전지로서, 통상 공정온도가 500℃ 이상의 고온에서 진행될 때 우수한 효율을 얻는 것으로 보고되고 있다. 따라서 유기고분자 플라스틱 기판으로는 고온에서도 내열 특성을 가지는 유기고분자인 폴리이미드 필름이 가장 많이 연구가 되고 있다.　
그러나, 고온 내열성을 가지는 폴리이미드계 필름은 가시광 역역에서의 광 투과도, 특히 단파장 영역에서의 광 투과도가 떨어지는 단점이 있다. 도 2에는 25 μm 두께의 폴리이미드 필름의 광 투과도(transmittance)를 유리 기판 및 PET 기판의 광 투과도와 비교하여 나타내었다. 도 2에서 보는 바와 같이, 유리 기판이나 PET는 가시광 영역인 파장 380-770 nm 영역 전체에 걸쳐 투명한 것을 알 수 있다. 반면에 폴리이미드 필름은 전반적인 광 투과도도 떨어지지만, 이러한 광 투과도의 저하는 단파장 영역에서 더욱 심하게 나타나는 것을 알 수 있다.
도 3에는 동일한 폴리이미드 필름의 광 투과도(transmittance, T)와 아울러 광 반사도(reflectance, R) 및 광 흡수도(absorptance, A)를 같이 나타내었다. 폴리이미드 필름의 광 반사도는 측정된 전 파장 영역에서 10% 내외로 고르게 분포하는 것을 알 수 있다. 이로부터, 폴리이미드 필름의 낮은 광 투과도는 광 흡수 손실에 의한 것임을 알 수 있다.
도 4에는 Se, S계 박막태양전지에서 불투명 금속전극층(2)으로 가장 많이 사용되는 몰리브데늄(Mo) 박막 표면의 광 반사도와 25 μm 두께 폴리이미드 기판에 Mo 박막이 증착된 상태에 있을 때 폴리이미드 기판 방향에서 측정된 반사도(PI/Mo)를 나타내었다. 금속이지만, Mo 박막은 비교적 광 반사도가 낮아서 가시광 영역에서 40% 정도에 불과하다. Mo 박막이 증착된 상태에서 폴리이미드 기판 방향에서 측정된 광 반사도는 폴리이미드 기판의 흡수로 말미암아 더욱 낮게 나타나고, 폴리이미드의 파장에 따른 흡수 스펙트럼 때문에 단파장 영역에서는 기판 본래의 반사도 정도로 낮게 출발하여 장파장 대역으로 갈수록 점진적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 이런 반사도의 파장 의존성 때문에, 육안으로 보면 노란색 톤이 가미된 약간 어두운 갈색의 색상을 띄게 된다. 그래서, 폴리이미드 기판에 형성된 태양전지 모듈을 창문에 설치하게 되면, 실내의 사람은 폴리이미드 면을 바라보는 상태이므로 노란색이 가미된 약간 어두운 갈색에 가까운 색상을 보게 되는데, 이는 사람이 선호하는 색상이 아니다.
색상의 변화를 꾀하기 위하여 금속전극층의 재료를 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 구리(Cu)로 완전히 대체하는 방법을 시도해 볼 수 있다. 도 5에 금속전극층으로 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 사용한 경우의 광 반사도를 비교하여 실었다. 세 금속 모두 Mo 보다 반사도가 높은 관계로 파장 425 nm 보다 장파장에서는 전체적인 반사도가 Mo인 경우에 비하여 상승하는 것을 볼 수 있다. Cu의 경우에는 Cu 특유의 반사도 특성 때문에 낮은 반사도가 약 파장 500 nm 대역까지 유지되는 것을 보인다. 하기 표 1은 도 5에 보인 금속 박막을 폴리이미드 필름에 접하는 금속전극층으로 사용한 경우의 색좌표 특성을 나타낸 것이다. 기판면으로부터 측정된 폴리이미드 기판에 증착된 금속 박막의 종류에 따른 반사도로부터 구해진 색좌표 값을 표 1에 내었다.
Mo Ag Al Cu
L* 49.99 65.86 63.38 60.75
a* 3.6 6.97 5.98 17.62
b* 18.83 39.10 36.1 31.15
표 1에 실린 색좌표계는 인간의 반대색론에 바탕을 두고 정의된 CIE L*a*b* 좌표계를 사용하여 나타낸 것이다. L* 값은 밝기를 나타내는 휘도로서 0이면 검정을 100이면 흰색을 나타낸다. a* 값은 빨강과 초록의 치우침 정도를 나타내는데, 음수이면 초록색 방향으로, 양수이면 빨강 내지 보라색 방향으로 치우친 색이다. b* 값은 노랑과 파랑의 치우침 정도를 나타내는데, 음수이면 파란색 방향으로, 양수이면 노란색 방향으로 치우친 색이다.
상기 표 1에서 보는 바와 같이, Mo 박막에 비하여 가시광 전 파장 영역에서 반사도가 높은 Al과 Ag의 경우에는 밝기가 증가하고 b* 값이 증가하여 노란색 톤이 증가한 것을 알 수 있으며, 이 때문에 밝은 노란색 톤의 갈색을 띄게 된다. 장파장 대역에서만 반사도가 높은 Cu의 경우에는 밝기와 b* 값도 증가하지만 a* 값도 증가하여 붉은색 톤이 증가하여 전체적으로 밝은 고동색 계열의 색상을 가진다.
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 금속전극층의 소재를 변경하더라도, 기본적으로 폴리이미드의 흡수특성으로 인하여 구현되는 반사 스펙트럼에 제한이 있으며, 이 때문에 구현되는 색상이 노란색 톤이 강한 갈색이나 이와 유사한 고동색 톤을 벗어나기 어렵다.
이와 같이, 고온에서 안정성을 가지기는 하지만 가시광 영역에서 파장 의존적인 흡수를 가지는 폴리이미드와 같은 유기고분자 필름을 기판으로 사용한 박막 태양전지를 BIPV용으로 창문에 적용하게 되거나 자동차의 선루프 등에 적용하게 되면, 실내에서 바라보는 색상이 노란색이 약간 가미된 갈색을 띄게 되어 사람에게 심미적인 색상이 되지 못한다.
따라서, 유기고분자 필름을 기판으로 사용한 박막 태양전지에서 기판 배면에서 나타나는 색상이 사람에게 친화적이고 심미적인 색상으로 변화시킬 수 있는 연구 개발이 요구된다.
본 발명의 일 측면은 유기고분자 필름을 기판으로 사용한 박막태양전지에서 기판 배면에서 나타나는 색상이 사람에게 친화적이고 심미적인 색상으로 변화시킬 수 있는 유연 박막태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에서는,
유기고분자 필름을 포함하는 기판;
상기 기판 상에 배치된 금속전극층; 및
상기 기판과 금속전극층 사이에 배치되며, 금속 나노입자를 포함하는 나노복합소재로 이루어지는 중간층;
을 포함하는 유연 박막태양전지가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 유기고분자 필름은 200℃ 이상의 온도를 견디는 내열성을 갖는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유기고분자 필름은 폴리이미드계 필름일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노복합소재는 국소표면플라즈몬공진에 의한 흡수 피크의 영향 범위가 380 ~ 770 nm 대의 가시광 영역에 존재하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, Zn, In, Sn, Pb, Sb, Bi 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노입자의 평균 입경은 1 내지 100 nm 범위일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노복합소재는 투명 기지상(matrix) 내에 상기 금속 나노입자가 분산된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기지상은 무기물, 유기물, 무기-유기혼합물 및 무기-유기복합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하고, 가시광 영역에서 흡수계수가 100,000 cm-1 이하인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유연 박막태양전지는 상기 금속전극층 상에 배치된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치된 투명전극층;을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유연 박막태양전지는 건물의 창유리나 자동차의 선루프에 적용될 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 유연 박막태양전지는 기판 배면에서 나타나는 색상이 사람에게 친화적이고 심미적인 색상으로 변화시킬 수 있다.
도 1은 하부 금속전극층이 먼저 증착되는 박막태양전지의 통상적인 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 유리, PET 그리고 PI 기판 소재의 광 투과 특성을 비교한 그래프이다.
도 3은 폴리이미드 필름의 투과, 반사 및 흡수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 Se, S계 박막태양전지에서 많이 사용되는 Mo 박막 표면의 반사 특성과 Mo 박막이 증착된 폴리이미드 필름의 필름면으로부터 측정된 반사 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 폴리이미드 필름에 금속전극층으로 Mo를 적용한 경우와, Al, Ag 및 Cu를 적용한 경우 측정된 폴리이미드 필름면의 반사 특성을 비교한 그래프이다.
도 6은 일 실시예에서 따른 유연 박막태양전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 7은 금속나노복합소재에 있어서 금속 입자의 종류와 기지상의 종류에 따라 변화하는 흡수 계수의 스펙트럼을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에서 폴리이미드 필름과 Mo 금속전극층 사이에 삽입된 나노복합소재에 의하여 변화되는 반사 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 2에서 폴리이미드 필름과 Al 금속전극층 사이에 삽입된 나노복합소재에 의하여 변화되는 반사 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 3에서 폴리이미드 필름과 Mo 금속전극층 사이에 나노복합소재를 삽입한 경우, 폴리이미드 필름의 두께 변화에 따라 변화하는 색상 변화를 CIE a*b* 좌표축 상에 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 일 구현예에 따른 유연 박막태양전지에 대해 상세히 설명하고자 한다.
일 실시예에 따른 유연 박막태양전지는,
유기고분자 필름을 포함하는 기판;
상기 기판 상에 배치된 금속전극층; 및
상기 기판과 금속전극층 사이에 배치되며, 금속 나노입자를 포함하는 나노복합소재로 이루어지는 중간층;을 포함한다.
박막태양전지에 사용되는 유기고분자 필름은 고온 안정성을 가지기는 하지만 가시광 영역에서 흡수가 있으며 그 흡수 스펙트럼의 특성으로 인하여 배면에서 바라보는 박막태양전지의 색상이 설치된 건물이나 자동차 내부의 사람에게 친화적이고 심미적이지 못한 색으로 제한될 수 있다. 일 구현예에 따른 상기 유연 박막태양전지는 이러한 문제를 극복하기 위한 것으로서, 유기고분자 필름을 포함하는 기판과 금속 박막층 사이에 금속 나노입자를 포함하는 나노복합소재로 이루어지는 중간층을 삽입함으로써, 박막태양전지의 기판의 배면 방향에서 측정되는 반사특성을 변화시킴으로써 다양한 색상을 구현할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 유연 박막태양전지의 구조를 대략적으로 나타낸 모식도이다. 도 6에서 보는 바와 같이, 상기 유연 박막태양전지는 유기고분자 필름을 포함하는 기판(1)과 금속전극층(2) 사이에 금속 나노입자를 포함하는 나노복합소재로 이루어지는 중간층(5)이 배치된다. 금속전극층(2) 상에는 광 흡수층(3)이 배치되고, 광 흡수층(3) 상에는 전면 투명전극층(4)이 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유기고분자 필름은 200℃ 이상의 온도를 견디는 내열성을 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 유기고분자 필름은 폴리이미드계 필름일 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 폴리이미드 필름의 경우 약 425 nm 파장까지의 단파장 대역에서는 매우 흡수가 크므로 일정 두께의 기판을 사용하게 되면 단파장 대역의 빛은 모두 흡수하게 되어, 사용되는 금속전극층에 상관없이 표면에서의 기판 고유의 반사를 제외하고는 거의 반사가 되지 않는다(도 5 참조). 따라서 폴리이미드 필름으로는 푸른 색상 계열의 반사도를 얻기가 불가능하다. 그러나, 425 nm 파장 보다 큰 영역에서는 흡수도가 감소하기 시작하므로 (즉, 금속전극층이 있는 경우의 반사도가 증가하기 시작하므로) 적절한 반사 스펙트럼의 변화를 꾀함으로써 다른 색상을 구현하는 것이 가능해진다. 이와 같은 고찰로부터, 일 실시예에 따른 유연 박막태양전지는 가시광 영역 전반에 걸쳐 거의 일정한 흡수도를 유지하는 금속 대신, 특정 파장 영역에서 흡수도를 변화시키는 나노복합소재를 이용하여 기판 배면에서 구현되는 색상에 변화를 꾀할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 중간층(5)은 투명 기지상(matrix) 내에 상기 금속 나노입자가 분산된 나노복합소재로 이루어질 수 있다. 수 나노미터 내지 수백 나노미터 크기의 금속 나노입자가 투명한 기지상에 혼합된 나노복합소재는 금속 나노입자에서 발생하는 국부표면플라즈몬공진(localized surface plasmon resonance)으로 인하여 공진 파장대 부근에서 강한 흡수단이 생길 수 있다. 이러한 흡수단이 생기는 파장 위치와 그 흡수 정도의 변화는 금속 나노입자의 종류와 기지상의 종류에 따라 제어될 수 있으며, 또한 금속 나노입자의 크기 및 형상, 그리고 입자의 혼입 분율에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 이렇게 흡수단의 위치 및 크기 정도의 변화를 제어하는 것이 가능한 나노복합소재를 금속전극층과 유기고분자 필름인 기판 사이에 위치시키면, 국부표면플라즈몬공진에 의하여 생성된 흡수단으로 인하여 기판면에서 측정되는 반사 스펙트럼을 변화시키는 것이 가능해지며, 이를 통해 색상의 변화가 가능해진다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노복합소재는 국소표면플라즈몬공진에 의한 흡수 피크의 영향 범위가 380 ~ 770 nm 대의 가시광 영역에 존재하는 것일 수 있다.
상기 나노복합소재는 상기 가시광 영역 전반에 걸쳐 일정한 흡수도를 유지하는 것이 아니라, 특정 파장 영역에서 흡수도를 변화시킬 수 있는 금속 나노입자를 포함할 수 있다. 이를 통해, 425 nm 파장 보다 큰 영역에서는 흡수도가 감소하기 시작하는 폴리이미드계 필름을 기판으로 사용하는 경우에도 가시광 영역에서 적절한 반사 스펙트럼의 변화를 꾀함으로써 다른 색상을 구현하는 것이 가능해진다.
상기 가시광 영역 중 특정 파장 영역에서 국소표면플라즈몬공진에 의한 흡수 피크가 변화하는 금속 나노입자라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 나노입자는 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, Zn, In, Sn, Pb, Sb, Bi 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노입자의 평균 입경은 1 내지 100 nm 범위일 수 있다. 상기 범위에서 금속 나노입자에서 발생하는 국부표면플라즈몬공진으로 인하여 상기 가시광 영역 중에 공진 파장대 부근에서 강한 흡수단이 생길 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기지상은 무기물, 유기물, 무기-유기혼합물 및 무기-유기복합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하고, 가시광 영역에서 흡수계수가 100,000 cm-1 이하인 것일 수 있다.
상기 기지상은 무기물을 포함할 수 있으며, 예를 들어 비전도성의 금속 산화물, 질화물 및 황화물 등의 금속 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 금속 화합물로는 예를 들어 규소(Si) 산화물, 티타늄(Ti) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 인듐(In) 산화물, 주석(Sn) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 니오븀(Nb) 산화물, 몰리브덴(Mo) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 스트론튬(Sr) 산화물, , 란타넘(La) 산화물, 바나듐(V) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 니켈(Ni) 산화물, 로듐(Rh) 산화물, 루세늄(Ru) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물, 이트륨(Y) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 사마륨(Sm) 산화물, 갈륨(Ga) 산화물, 규소(Si) 질화물, 알루미늄(Al) 질화물, 아연(Zn) 황화물 및 이들의 복합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 7은 나노복합소재의 일예로서 금속 나노입자의 종류(Ag:SiO2와 Au:SiO2 비교)와 기지상의 종류(Au:SiO2 와 Au:TiO2 비교)에 따른 흡수특성의 변화를 보여주는 흡수계수의 변화를 나타내었다. 도 7에서 보는 바와 같이, Ag:SiO2 나노복합소재는 파장 약 425 nm 대역에서 흡수 피크를 가지고, Au:SiO2 나노복합소재는 약 510 nm 대역에서, 그리고 Au:TiO2 나노복합소재는 약 650 nm 대역에서 흡수피크를 나타내는 것을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 흡수단에서 흡수 피크의 크기 및 위치는 금속 나노입자의 종류와 기지상의 종류에 가장 크게 영향을 받지만, 금속 나노입자의 크기 및 형상, 그리고 금속 나노입자의 혼입 분율에도 영향을 받아 어느 정도는 변화할 수 있으므로, 다양한 조합을 통해 색상 변화를 제어할 수 있다.
상기 나노복합소재를 포함하는 중간층은 유기고분자 필름 상에 코팅되므로 적용 가능한 코팅 방법이 제한되지 않는다. 즉, 물리적 증착방법이나 화학적 증착방법은 물론, 일반 스프레이나 졸-겔 방법 등의 습식 용액 공정 등 나노복합소재를 형성 시키는 어떤 공정의 적용이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속전극층은 불투명 또는 반투명 전극층일 수 있다. 상기 금속전극층은 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유연 박막태양전지는 상기 금속전극층 상에 배치된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치된 투명전극층;을 더 포함할 수 있다.
상기 유연 박막태양전지는 유기고분자 필름을 포함하는 기판에 하부 금속전극층이 먼저 위치하는 구조를 가지는 박막태양전지에 모두 적용이 가능하다는 것은 자명하다.
또한, 상기 유연 박막태양전지는 유기고분자 필름이 가시광 영역에서 흡수를 가지지 않는다 하더라도, 유기고분자 필름과 하부 금속전극층 사이에 삽입되는 나노복합소재의 중간층에 의해 다양한 색상의 구현이 가능함은 자명하다.
이와 같이 유기고분자 필름으로 된 기판과 하부 금속전극층 사이에 파장별로 흡수 특성이 변하는 나노복합소재를 중간층으로 삽입한 구조를 포함하는 유연 박막태양전지의 구조는 다음과 같은 효과가 있다.
고온 내열성을 가지나 가시광 영역에서의 흡수로 인하여, 금속전극층을 유기고분자 필름 위에 먼저 증착하는 박막태양전지가 제조될 경우 유기고분자 필름 배면에서 나타나는 색상이 사람에게 친화적이고 심미적이지 못한 색상으로 한정되는 문제를 해결하여, 다른 색상으로 변화시키는 효과를 제공한다.
이러한 다양한 색상의 변화는 유기고분자 필름 상에 제조된 박막태양전지를 BIPV용의 창유리 적용이나 자동차의 선루프 등과 같은 적용할 시, 내부에서 바라보는 사람에게 친화적이고도 심미적인 감각의 색상을 제공할 수 있다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예 및 비교예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
<실시예 1>
SiO2 및 TiO2 기지상에 금 나노입자를 5% 또는 10% 체적 분율로 혼합한 나노복합소재 중간층을 25 μm 두께의 폴리이미드 기판과 Mo 금속전극층 사이에 삽입시킨 경우에 폴리이미드 기판의 배면으로부터 측정된 반사도 스펙트럼을 나노복합소재 중간층이 없는 경우와 비교하여 도 8에 나타내었다.
도 8에서 보는 바와 같이, 기지상으로 SiO2를 사용한 경우에는 약 430~550 nm 대역의 반사도만을 줄이는 효과를 나타내게 되며, TiO2를 사용한 경우에는 금 나노입자의 체적 분율에 따라 달라지기는 하지만 약 580~620 nm 대역과 약 700~720 nm 대역의 반사도를 저하시키는 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
하기 표 2에는 본 실시예 1에 따른 시험의 CIE L*a*b* 좌표계를 나타내었다. 표 2의 값들은 실시예 1에서 금속전극층으로 사용된 Mo 박막층과 25 μm 두께의 폴리이미드 기판 사이에 SiO2나 TiO2 기지상에 금 나노입자가 분산된 나노복합소재 중간층을 삽입시킨 경우, 기판면으로부터 측정된 반사도로부터 구해진 색좌표 값이다.
Au(5%):SiO2 Au(10%):SiO2 Au(5%):TiO2 Au(10%):TiO2
L* 45.9 42.36 40.93 41.4
a* 15.9 13.54 -9.39 2.82
b* 9.19 5.29 10.93 7.02
상기 표 2에서 보는 바와 같이, SiO2를 기지상으로 하는 나노복합소재 중간층을 삽입시킨 경우에는, a* 값이 증가하고 b* 값은 감소하여 노란색 톤이 감소한 붉은 갈색의 색상을 가지는 것을 알 수 있다. 반면에 기지상으로 TiO2를 사용한 경우에는 a* 값이 많이 감소하여 음수의 값을 가지게 되는 경우도 보이는데, 이는 시편 색상이 초록색 계열을 나타내고 있음을 말하여준다.
이와 같이, 본 발명에서 제공하는 바와 같이 나노복합소재 중간층을 삽입하여 흡수단을 변화시킴으로써, 폴리이미드 기판에 제작된 태양전지의 배면이 사람에게 미려한 느낌을 주는 초록색 계열의 반사특성을 가지게 할 수도 있음을 보여준다.
<실시예 2>
본 실시예 2에서는 실시예 1에서 사용한 나노복합소재 중간층은 동일한 상태를 유지하나, 금속전극층으로 Mo 대신에 Al을 사용한 경우의 반사도 변화를 고찰하였다.
SiO2 및 TiO2 기지상에 금 나노입자를 5% 또는 10% 체적분율로 혼합한 나노복합소재 중간층을 25 μm 두께의 폴리이미드 기판과 Al 금속전극층 사이에 삽입시킨 경우에 폴리이미드 기판면으로부터 측정된 반사도 스펙트럼을 나노복합소재 중간층이 없는 경우와 비교하여 도 9에 나타내었다.
도 9에서 보는 바와 같이 각 시편의 스펙트럼 모양은 실시예 1의 경우와 거의 유사해 보인다. 그러나 높은 반사도를 가진 Al을 금속전극층으로 사용하여 반사도가 상승한 상태임을 알 수 있다.
하기 표 3에는 본 실시예 2에 따른 시험의 CIE L*a*b* 좌표계를 실었다. 표 3의 값들은 금속전극층으로 사용된 Al 박막층과 25 μm 두께의 폴리이미드 기판 사이에 SiO2나 TiO2 기지상에 금 나노입자가 분산된 나노복합소재 중간층을 삽입시킨 경우, 기판면으로부터 측정된 반사도로부터 구해진 색좌표 값이다.
Au(5%):SiO2 Au(10%):SiO2 Au(5%):TiO2 Au(10%):TiO2
L* 58.10 53.31 47.00 43.8
a* 25.71 29.01 -18.09 -7.2
b* 24.06 16.98 21.57 13.06
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 금속전극층으로 Mo 대신에 Al을 사용하여 실시예 1의 경우보다 휘도 값을 나타내는 L* 값이 높아 전체적으로 밝은 색상을 나타내었다.　 SiO2를 기지상으로 하는 나노복합소재 중간층을 삽입시킨 경우에는, a* 값이 크게 증가하고 b* 값도 높은 상태를 유지하여 실시예 1에서 보다 노란색 톤이 여전히 존재하는 주황색에 가까운 색상을 나타내는 것을 알 수 있다. 반면에 기지상으로 TiO2를 사용한 경우에는, a* 값이 모두 음의 값일 뿐 아니라 5% 체적분율의 금 나노입자를 함유한 경우에는 큰 음의 값을 가져 밝은 톤의 미려한 초록색상을 띄게 된다. 체적분율이 10%로 증가한 경우에는 a* 값이 작은 음의 값인 동시에 b* 값은 감소하여 카키색 계열의 심미적인 색상을 나타내게 된다.
이와 같이, 일 실시예에서 제공하는 바와 같이 나노복합소재 중간층을 삽입하여 흡수단을 변화시킴으로써, 폴리이미드 기판에 제작된 태양전지의 배면이 사람에게 미려한 느낌을 주는 밝은 초록색 내지는 어두운 카키색과 주황색 계열의 반사특성도 나타내게 할 수 있음을 명백하게 보여준다.
<실시예 3>
상기 실시예 1과 실시예 2에서 적용된 폴리이미드 필름의 두께는 25 μm 이다. 폴리이미드 필름의 두께가 얇아지게 되면, 폴리이미드 기판에 흡수되는 전체 흡수의 양이 그 두께에 거의 비례하여 작아지게 된다. 본 실시예 3에서는 폴리이미드 필름의 두께의 영향을 조사하여 보았다.
실시예 1과 실시예 2에서 사용한 동일한 나노복합소재를 그대로 적용하고, 금속전극층도 동일한 Mo를 적용한 상태에서, 폴리이미드 필름의 두께만 25 μm에서 10 μm 로 변화한 경우의 색상의 변화를 CIE a*b* 좌표축 상에 도시하여 도 10에 나타내었다.
도 10에서 보는 바와 같이, 동일한 흡수 계수 스펙트럼을 가지는 폴리이미드 필름의 두께가 줄어들면, 색상의 선명도가 증가하는 방향으로 변화하는 것을 볼 수 있다(a → a’, b → b’. c → c’). 또한 d → d’변화는 갈색에서 초록색 계열로의 천이로서 초록색 계열의 색상 폭이 확장하는 경우를 말하여 준다.
이와 같이 나노복합소재를 중간층으로 적용하였을 경우, 기판 필름의 두께 감소만으로도 색상의 선명도를 올릴 수 있을 뿐 아니라, 휘도도 커지게 되어 전체적으로 밝고 선명한 색상의 구현이 가능해진다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1 : 기판　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2 : 금속전극층
3 : 광 흡수층
4 : 투명전극층
6 : 나노복합소재 중간층

Claims (15)

  1. 폴리이미드계 유기고분자 필름을 포함하는 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 불투명 금속재질을 포함하는 금속전극층; 및
    상기 기판과 금속전극층 사이에 배치되며, 금속 나노입자를 포함하는 나노복합소재로 이루어지는 중간층;을 포함하고,
    상기 중간층을 상기 기판과 금속전극층 사이에 배치함으로써 상기 기판의 배면 방향에서 측정되는 반사특성을 변화시켜, 상기 중간층이 없는 경우 상기 기판 배면에 입사한 실내의 빛이 반사됨으로써 나타나는 색상이 노란색이 가미된 갈색 내지 고동색이지만, 상기 중간층에 의해 상기 기판 배면에 입사한 실내의 빛이 반사됨으로써 나타나는 색상이 노란색이 가미된 갈색 내지 고동색과는 다른 색상으로 변화하는 것인, 유연 박막태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속전극층은 불투명한 것인 유연 박막태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판 배면은 태양광이 입사하는 반대방향의 후면인 유연 박막태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기고분자 필름은 200℃ 이상의 온도를 견디는 내열성을 갖는 것인 유연 박막태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노복합소재는 국소표면플라즈몬공진에 의한 흡수 피크의 영향 범위가 380 ~ 770 nm 대의 가시광 영역에 존재하는 것인 유연 박막태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, Zn, In, Sn, Pb, Sb, Bi 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 유연 박막태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자의 평균 입경은 1 내지 100 nm 범위인 유연 박막태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노복합소재는 투명 기지상(matrix) 내에 상기 금속 나노입자가 분산된 것인 유연 박막태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기지상은 무기물, 유기물, 무기-유기혼합물 및 무기-유기복합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하고, 가시광 영역에서 흡수계수가 100,000 cm-1 이하인 것인 유연 박막태양전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 기지상은 비전도성 금속 화합물을 포함하는 유연 박막태양전지.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 기지상은 규소(Si) 산화물, 티타늄(Ti) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 인듐(In) 산화물, 주석(Sn) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 니오븀(Nb) 산화물, 몰리브덴(Mo) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 스트론튬(Sr) 산화물, 란타넘(La) 산화물, 바나듐(V) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 니켈(Ni) 산화물, 로듐(Rh) 산화물, 루세늄(Ru) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물, 이트륨(Y) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 사마륨(Sm) 산화물, 갈륨(Ga) 산화물, 규소(Si) 질화물, 알루미늄(Al) 질화물, 아연(Zn) 황화물 및 이들의 복합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 유연 박막태양전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 금속전극층은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 유연 박막태양전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 금속전극층 상에 배치된 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 배치된 투명전극층;
    을 더 포함하는 유연 박막태양전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 유연 박막태양전지는 건물의 창유리나 자동차의 선루프에 적용되는 것인 유연 박막태양전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 중간층에 의해 상기 기판 배면에 입사한 실내의 빛이 반사됨으로써 나타나는 색상이, 상기 중간층이 없는 경우에 비해 노란색 톤이 감소한 붉은 갈색 톤; 초록색 톤; 주황색 톤; 또는 카키색 톤;을 띄는 색으로 변화하는 것인 유연 박막태양전지.
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