KR102550178B1 - 3d 투명 태양전지의 투명창 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3D 투명 태양전지의 투명창 제조방법으로, 펄스 레이저 발생기가 가시광선 파장의 펄스 레이저 빔을 발생시키는 펄스 레이저 빔 발생 단계, 대물렌즈가 상기 펄스 레이저 발생기에서 발생된 펄스 레이저 빔의 초점을 태양전지의 표면으로부터 일정간격 이격된 상기 태양전지의 외부 위치에 디포커스(defocus)하는 초점 디포커스 단계 및 작업대가 상기 태양전지를 일정간격으로 이동시키면서 상기 펄스 레이저 빔을 통해 스크라이빙(scribing)을 수행하여 상기 태양전지에 특정 폭의 투명창을 형성하는 투명창 형성 단계를 포함하는 것으로, 페로브스카이트 소재의 구성요소와 대기 중의 불안정성(습기 및 산소와의 반응성)으로 인하여 대기에 노출하여 물을 사용한 세정을 이용하는 CMP, RIE 식각, PR 마스크를 이용한 습식 식각 등의 전통적인 방식으로 원하는 패턴의 제작이 불가능한 페로브스카이트 박막 식각에 있어 펄스 레이저 스크라이빙을 이용할 경우 비접촉으로 원하는 모양의 패턴을 물이나 용매(예, 아세톤)의 사용이 없는 건식 방식으로 제작할 수 있다. 또한, 투명전극이 태양전지 외부에 유지됨으로써 태양전지의 접촉저항을 감소시켜 광전변환효율의 향상을 기대할 수 있다.

Description

3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법 {METHOD OF WINDOW OPENING FOR 3D TRANSPARENT SOLAR CELL}
본 발명은 가시광 전대역의 빛이 투과될 수 있는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.
페로브스카이트 광흡수체는 태양광 흡수와 소재내에서 광전변환효과를 이용하여 전력을 생산하는 소재이다. 그러나 페로브스카이트 광흡수체의 밴드 갭 에너지는 650 ~ 900 nm의 파장을 갖기 때문에 일부 또는 대부분의 가시광 빛을 흡수하게 되며, 이로써 일부 또는 전부의 가시광이 전력 변환에 사용되게 되어 불투명 또는 반투명하게 된다. 따라서 가시광 (380 ~ 780 nm) 전 대역의 빛이 투과하는 투명 태양전지를 제작하기 위해서는 흡수층을 포함한 태양전지를 이루는 면적의 일부를 개방하는 것이 필요하다. 기술적으로 태양전지의 면적을 축소하는 것은 광전효율의 감소를 의미한다. 그러나 태양전지의 일부분을 개방한 투명창의 이용은 전 가시광 (380 ~ 780 nm)을 투과시킬 수 있으므로 보다 선명한 투명성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 그리고 투명창의 확보에 의한 광전변환효율의 감소를 만회하는 방법으로는 3차원 구조체 태양전지를 이용하여 극복할 수 있다. 반도체 박막의 일부 면적을 제거하는 방법으로는 식각을 이용하는 것이 가장 일반적이다. 그 방법으로는 전식 또는 습식 식각이 있다. 건식 방법으로는 반응성 이온에칭이 대표적이고 습식으로는 광감응제로 패턴을 형성하고 식각용액에 담가 처리하는 방법이 일반적이다. 그러나 페로브스카이트에는 납이 포함되어 있어 이온에칭이 불가능하며, 또한 페로브스카이트는 유기용매 및 습기에 취약하므로 습식 식각도 적용이 어렵다. 레이저 스크라이빙은 레이저 빔의 효과적인 이용과 빠른 공정성을 위하여 렌즈 광학계를 통하여 빔을 초점에 모아서 사용하게 된다. 그러므로 단위 레이저 펄스 당 단위 면적에 집중되는 에너지는 대폭 상승하게 되는데 이와 같이 집중된 광에너지는 물질에 흡수되어 가공성뿐만 아니라 박막의 심각한 손상을 유발하게 된다. 일어나는 현상으로는 에너지 흡수에 의한 단일 또는 여러 물질들의 용융 및 재결정화와 미세 균열(micro cracking)을 유발하여 수율을 떨어뜨릴 수 있다.
대한민국 공개특허 제10-2021-0025282호(명칭: 3차원 투명 태양전지 제조방법, 공개일: 2021.03.09.) 대한민국 공개특허 제10-2020-0048037호(명칭: 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법, 공고일: 2020.05.08.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 투명창이 결합된 3차원의 입체 표면을 갖는 고효율 페로브스카이트 투명전지의 투명성 확보를 위하여 펄스 레이저를 이용하여 태양전지 면적의 일부를 개방하는 투명창 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 투명 태양전지의 투명창 제조방법은 펄스 레이저 발생기가 가시광선 파장의 펄스 레이저 빔을 발생시키는 펄스 레이저 빔 발생 단계, 대물렌즈가 상기 펄스 레이저 발생기에서 발생된 펄스 레이저 빔의 초점을 태양전지의 표면으로부터 일정간격 이격된 상기 태양전지의 외부 위치에 디포커스(defocus)하는 초점 디포커스 단계 및 작업대가 상기 태양전지를 일정간격으로 이동시키면서 상기 펄스 레이저 빔을 통해 스크라이빙(scribing)을 수행하여 상기 태양전지에 특정 폭의 투명창을 형성하는 투명창 형성 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 태양전지는, 기판, 상기 기판 상에 적층되는 제 1투명전도막, 상기 제 1투명전도막 상에 적층되는 전자수송층, 상기 전자수송층 상에 적층되는 광흡수층, 상기 광흡수층 상에 적층되어 정공이 이동하는 정공수송층 및 상기 정공수송층 상에 적층되는 제 2투명전도막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 초점 디포커스 단계에서는, 상기 대물렌즈가 상기 펄스 레이저 빔의 초점을 상기 제 2투명전도막의 표면으로부터 일정간격 이격된 상기 제 2투명전도막의 상부 위치에 디포커스하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 초점 디포커스 단계에서, 디포커스 길이는 300 ㎛ 보다는 길고, 500 ㎛ 보다는 짧은 길이로 이루어지고, 상기 디포커스 길이는 상기 제 2투명전도막의 표면으로부터 상기 펄스 레이저 빔의 초점이 디포커스된 상기 제 2투명전도막의 상부 위치까지의 길이인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 투명창 형성 단계에서는, 상기 작업대가 설정된 범위 내에서 상기 태양전지를 X축 및 Y축 방향으로 일정 간격 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 투명창 형성 단계에서는, 상기 작업대가 상기 태양전지를 일정간격 이동시키는 경우, 상기 펄스 레이저 빔에 의한 태양전지 표면에서의 셀표면 레이저 스폿이 일정 영역 중첩되는 간격으로 상기 태양전지를 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 투명창 형성 단계에서는, 상기 태양전지를 이동시키면서 상기 펄스 레이저 빔을 통해 스크라이빙을 수행하는 경우, 상기 태양전지의 이동 전후 위치에서의 상기 펄스 레이저 빔의 에너지 세기와 디포커스 위치는 각각 동일하게 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 투명창은, 상기 펄스 레이저 빔을 통한 스크라이빙에 의해 상기 태양전지의 제 2투명전도막부터 광흡수층까지가 순차적으로 제거되어, 상기 전자수송층 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 펄스 레이저 빔은, 펄스 폭이 1 ns 이상 1 ㎲ 미만인 나노초, 펄스 폭이 1 ps 이상 1 ns 미만인 피코초 및 펄스 폭이 1 fs 이상 1 ps 미만인 펨토초를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 펄스 레이저 스크라이빙을 이용한 3D 투명 태양전지의 투명창 제조방법은, 페로브스카이트 소재의 구성요소와 대기 중의 불안정성(습기 및 산소와의 반응성)으로 인하여 대기에 노출하여 물을 사용한 세정을 이용하는 CMP, RIE 식각, PR 마스크를 이용한 습식 식각 등의 전통적인 방식으로 원하는 패턴의 제작이 불가능한 페로브스카이트 박막 식각에 있어 펄스 레이저 스크라이빙을 이용할 경우 비접촉으로 원하는 모양의 패턴을 물이나 용매(예, 아세톤)의 사용이 없는 건식 방식으로 제작할 수 있다. 페로브스카이트 소재는 광흡수성이 우수하여 고효율 태양전지를 제작할 뿐 아니라 광응답성이 우수하기 때문에 광수신소자에 이용할 수 있다. III-V 또는 II-VI 반도체 광원소자등과 같이 광 집적소자에 페로브스카이트 광수신소자를 적용하기 위해서는 소자 모양(마이크로 스트립, 각 도형 형상)의 패터닝이 필수적으로 필요하게 된다. 이와 같은 신소자 응용 분야에 펄스 레이저 스크라이빙에 의한 페로브스카이트 박막을 이용한 광통신 및 광전소자 가공에 활용할 수 있다. 또한, 투명전극이 태양전지 외부에 유지됨으로써 태양전지의 접촉저항을 감소시켜 광전변환효율의 향상을 기대할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 박막태양전지의 모노리식 집적화 P1, P2, P3 스크라이빙 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 스크라이빙을 위한 펄스 레이저 공정 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지 구조 및 투명창 공정 레이저 정렬을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 투명창 개방 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명이 일 실시예에 따른 광투과 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 돌출 구조체 페로브스카이트 태양전지 투명창 제작 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 함몰 구조체 페로브스카이트 태양전지 투명창 제작 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 디포커스 길이 변화에 따른 투명창 개방 공정 결과를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지 투명창 개방의 바람직한 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 돌출 구조체 페로브스카이트 태양전지 표면 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명창이 결합된 3차원 돌출 구조체 페로브스카이트 태양전지 표면 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 페로브스카이트 태양전지의 투명창 개방 전후의 광 투과 특성 곡선을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1에는 종래의 태양전지인 박막태양전지의 모노리식 집적화 P1, P2, P3 스크라이빙을 개략적으로 도시하였다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법의 블록도를 도시하였다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따른 3D 투명 태양전지의 투명창 제조방법은 펄스 레이저 빔 발생 단계(S10), 초점 디포커스 단계(S20) 및 투명창 형성 단계(S30)를 포함 한다.
펄스 레이저 빔 발생 단계(S10)는 펄스 레이저 발생기(21)가 가시광선 파장의 펄스 레이저 빔(22)을 발생시키는 단계이다.
초점 디포커스 단계(S20)는 대물렌즈(24)가 상기 펄스 레이저 발생기(21)에서 발생된 펄스 레이저 빔(22)의 초점을 태양전지(26)의 표면으로부터 일정간격 이격된 상기 태양전지(26)의 외부 위치에 디포커스하는 단계이다.
투명창 형성 단계(S30)는 작업대(27)가 상기 태양전지(26)를 일정간격으로 이동시키면서 상기 펄스 레이저 빔(22)을 통해 스크라이빙(scribing)을 수행하여 상기 태양전지(26)에 특정 폭의 투명창을 형성하는 단계이다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 스크라이빙을 위한 펄스 레이저 공정 장치를 개략적으로 도시하였다.
펄스 레이저 빔이 대상 물질을 제거하며 진행하는 것을 펄스 레이저 스크라이빙이라고 한다.
펄스 레이저 스크라이빙으로 특정한 형상을 구현하는 것을 패턴 스캐닝이라고 한다.
펄스 레이저 빔의 초점이 형성되는 곳을 레이저 초점 스폿이라고 한다.
펄스 레이저 빔이 태양전지와 처음 만나는 곳을 셀표면 레이저 스폿이라고 한다.
도 3을 참조하면, 투명창을 제작하는데 가장 주요한 에너지 원으로 레이저를 사용할 수 있다. 펄스 레이저 빔(22)은, 펄스 폭이 1 ns 이상 1 ㎲ 미만인 나노초, 펄스 폭이 1 ps 이상 1 ns 미만인 피코초 및 펄스 폭이 1 fs 이상 1 ps 미만인 펨토초를 포함할 수 있다. 펄스레이저 발생기(21)의 발진 파장은 NIR(근 적외선) 뿐만 아니라 파장변환을 통하여 가시광선(532 nm) 또는 자외선(343 nm) 등을 생성할 수 있으며, 용도에 따라 파장을 선택하게 된다. 이 경우 생성된 레이저 빔(22)의 발진 파장, 레이저 에너지, 그리고 펄스 반복률은 각각 343 nm, 1.5 W, 그리고 30 kHz 일 수 있다. 수평 방향의 레이저 빔(22)은 반사경(23)을 이용하여 수직 방향으로 전환되고 레이저 빔을 가공에 맞도록 조정하는 광학계인 대물렌즈(24)를 지날 수 있다. 이 대물렌즈(24)를 지나는 레이저 빔은 투명창 가공이 필요한 태양전지(26) 시료 표면에 초점을 맞출 수 있다. 초점에서 레이저의 스폿 크기는 10 μm 가 될 수 있다. 레이저 빔 포커스(25)가 태양전지(26) 시료에 전달 되는 동안 한 변의 길이가 수 100 μm인 투명창을 생성할 수 있다. 100 μm 투명창을 생성하기 위하여 작업대(27)를 X-축 및 Y-축 방향으로 움직여서 태양전지의 면에 집중되는 레이저 빔에 의한 태양전지 구성 재료의 식각을 유발하여 스크라이빙을 진행할 수 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지 구조 및 투명창 공정 레이저 정렬을 도시하였다.
어떤 물질의 원자가전자대의 최대 에너지와 전이대의 최소 에너지의 차이를 에너지 밴드 갭 또는 밴드 갭 에너지라고 한다.
디포커스된 펄스 레이저 빔의 레이저 초점 스폿을 디포커스 위치라고 한다.
도 4를 참조하면, 도 3에서 사용된 레이저 빔이 태양전지 면에 초점을 맞을 경우 30 kHz의 펄스 반복률이라 하더라도 초점에 전달되는 레이저 빔의 에너지 출력과 수광면적의 에너지 밀도는 태양전지 뿐만 아니라 모든 빛에 투명한 유리기판 까지도 손상을 일으킬 수 있다. 이와 같은 공정은 가시광의 투명성은 확보할 수 있으나 투명창 면의 손상에 의하여 빛의 난반사를 유발하게 되어 시인성을 상실할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 레이저 빔 포커스(25)를 태양전지 제 2투명전도막 상부 위치에 설정할 수 있다. 이와 같은 방법을 디포커스(defocus)라 한다. 이와 같이 태양전지 표면으로부터 디포커스된 레이저 빔의 활용은 2 가지 장점을 제공할 수 있다. 첫째는 도 4의 태양전지 셀 표면 레이저 스폿을 초점 스폿 (10 μm) 보다 크게 할 수 있다. 둘째는 빔 내부의 에너지의 가우스 분포를 레이저 웨이브 프론트 면에 확장하는 효과를 줄 수 있다. 이와 같은 현상을 이용하여 태양전지 표면에 도달하는 레이저 스폿(111)의 크기와 에너지 분포를 확대함으로써 레이저 패턴 가공 시간을 단축하게 하여 공정의 스루풋(throughput)을 향상할 수 있다.
태양전지 구조와 관련하여, 페로브스카이트 태양전지는 소다라임글래스를 기판(101)으로 사용할 수 있다. 그 위에 제 1투명전도막(102), 전자수송층(103), 광흡수층(104), 정공수송층(105), 제 2투명전도막(106)을 순차적으로 적층을 할 수 있다. 마지막으로 금속양전극(107)과 금속음전극(108)을 형성하여 소자를 완성할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면 제 1투명전도막(102)으로 ITO (밴드갭에너지 Eg = 3.5 eV, 두께=400 nm), 전자수송층(103)으로 InOx (Eg = 3.75 eV, 두께=20 nm), 광흡수층(104)으로 CsPbI2Br 페로브스카이트 (Eg = 1.91 eV, 두께=500 nm), 정공수송층(105)으로 P3HT (Eg~2.0 eV, 두께=20 nm), 제 2투명전도막(106)으로 ITO (두께=200 nm)를 사용할 수있다. 금속 전극으로는 금(Au)를 이용할 수 있다.
이와 같은 박막 태양전지 구조를 관통하는 입사 레이저 빔(109)은 집중 광학계로 구성된 대물렌즈(110)에 의하여 태양전지(26)의 표면이 아닌 태양전지(26)의 최외각 표면인 제 2투명전도막(106)의 표면으로부터 일정간격 이격된 상기 제 2투명전도막(106)의 상부 위치에 디포커스하여 레이저 초점 스폿(114)이 생성 되게 할 수 있다. 이로써 셀표면 레이저스폿(111)이 레이저 초점 스폿(114) 보다 크게 형성되도록 할 수 있다. 이 때 대물렌즈 초점거리(113)는 렌즈의 수차(numerical aperture; NA)에 따라 다르게 설정할 수 있다. 이와 같이 레이저 빔의 디포커스 길이(112)를 설정할 수 있다.
입사 레이저 빔(109)은 파장이 343 nm인 UV로서 광자 에너지가 3.62 eV 이므로 태양전지를 구성하는 각 박막층 소재의 밴드 갭 에너지가 광자 에너지보다 낮을 경우 흡수가 일어날 수 있다. 즉, 정공수송층(105), 광흡수층(104), 제 1 투명전도막(102) 및 제 2투명전도막(106)에서 레이저 광 흡수가 일어날 수 있다. 이 때, 충분한 에너지가 집중되게 되면 어블레이션에 의하여 각 물질이 박막으로부터 떨어지게 될 수 있다. 대물렌즈를 통과하여 초점거리(113)에 맺혀지는 레이저 빔의 에너지를 흡수하게 하는데 디포커스 길이(114)에 따라서 반응 레이저 빔의 에너지를 제어하여 공정에 활용할 수 있다.
한편, 다른 실시예로서 입사 레이저 빔(109)은 파장이 532 nm인 노란색 빛을 이용할 수 있다. 이 레이저 빔의 광자 에너지는 2.33 eV에 해당한다. 그러므로 도 3 에 제시된 태양전지 구조에서 입사 레이저 빛의 광에너지는 페로브스카이트 흡수층(Eg = 1.91 eV, 두께=500 nm) 보다는 크지만 후면 ITO 투명전도막(밴드갭에너지 Eg = 3.5 eV, 두께=400 nm)와 전자수송층인 InOx (Eg = 3.75 eV, 두께=20 nm) 보다는 작은 값을 갖게 할 수 있다. 그렇기 때문에 페로브스카이트 광흡수층(104)은 제거를 할 수 있으나 후면 ITO 투명전도막과 전자수송층 InOx을 유지할 수 있게 할 수 있다. 즉 페로브스카이트 흡수층 이상의 박막층을 제거함으로써 투명창을 제조할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 투명창 개방 구조를 개략적으로 도시하였다.
도 5를 참조하면, 도 3의 레이저 어블레이션으로 생성된 페로브스카이트 태양전지의 스크라이빙 결과를 보여 주고 있다. 본 실시예의 광자 에너지가 2.33 eV 이기 때문에 페르브스카이트 광흡수층(Eg = 1.91 eV) 에서 흡수가 일어나 레이저 어블레이션이 발생할 수 있다. 즉, 투명창(115)은, 상기 펄스 레이저 빔(22)을 통한 스크라이빙에 의해 상기 태양전지(26)의 제 2투명전도막(106)부터 광흡수층(104)까지가 순차적으로 제거되어, 상기 전자수송층(103) 상에 형성될 수 있다.
이때 투명창의 가시광 투과 시인성을 확보하기 위하여 전자수송층(103) 면의 손상이 없이 모두 제거 되는 것이 바람직하다. 만약 제거된 물질이 남아 있거나 또는 표면이 균열하거나 손상이 발생할 경우 투과 가시광 빛의 난반사가 발생하여 투과 영상이 흐려질 수 있다. 수 100 μm의 투명창 폭(116)을 확보하기 위하여 도 4의 입사 레이저(109)를 태양전지 면 위에 스캐닝할 수 있다. 패턴 스캐닝은 도 3의 작업대(27)를 설정된 범위 내에서 X-축 및 Y-축 방향으로 일정간격 이동하여 구현할 수 있다. 상기 설정된 범위는 특정 폭의 투명창을 형성하기 위해 해당 폭과 매칭되는 범위일 수 있다. 패턴 스캐닝은, 작업대 상에 태양전지를 위치시키고 작업대 자체가 X-축 및 Y-축으로 이동하여 태양전지를 X-축 및 Y-축으로 이동시켜 진행될 수 있다. 따라서, 작업대는 레일등의 이동장치에 위치할 수 있다. 상기 작업대(27)가 상기 태양전지(26)를 일정간격 이동시키는 경우, 상기 펄스 레이저 빔(22)에 의한 태양전지(26) 표면에서의 셀표면 레이저 스폿(111)이 일정 영역 중첩되는 간격으로 상기 태양전지(26)를 이동시킬 수 있다. 또한 상기 태양전지(26)를 이동시키면서 상기 펄스 레이저 빔(22)을 통해 스크라이빙을 수행하는 경우, 상기 태양전지(26)의 이동 전후 위치에서의 상기 펄스 레이저 빔(22)의 에너지 세기와 디포커스 위치는 각각 동일하게 유지할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과 스펙트럼을 도시하였다.
도 6을 참조하면, 태양전지의 소다라임글래스 기판(101) 면과 제 1투명전도막(102)의 광투과 특성을 볼 수 있다. 가시광 대역(380~780 nm)에서 소다라임글래스 기판(101) 면의 평균투과율이 91.2% 인 반면, 제 1투명전도막(102)이 소다라임글래스 기판(101) 면에 남아 있을 경우의 평균 광투과율은 82.3% 이다. 즉, 제 1투명전도막(102)면까지 투명창이 되었을 때 약 10%의 가시광 투과특성의 감소가 발생할 수 있다. 532 nm 펄스 레이저 어블레이션은 전자수송층(103) 면 위에서 발생하게 되겠지만 이 전자수송층의 두께가 20 nm 정도이기 때문에 광투과 손실은 대부분 400 nm 두께의 제 1투명전도막(102)에서 발생할 수 있다. 반면에 제 1투명전도막(102)을 유지한 투명 페로브스카이트 태양전지는 전극층을 태양전지 전면에 유지할 수 있기 때문에 페로브스카이트 광흡수층(104)에서 생성된 광전하가 외부의 전극으로 용이하게 전달될 수 있는 장점을 제공할 수 있다. 이로써 태양전지의 접촉 직렬저항을 감소할 수 있게 되기 때문에 채움인자가 커지고 궁극적으로 광전변환효율의 향상을 기대할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 돌출 구조체 페로브스카이트 태양전지 투명창 제작 결과를 도시하였다.
도 7을 참조하면, 태양전지가 평면으로부터 돌출되게 형성한 구조체를 형성할 수 있다. 투명창 폭을 확보하기 위하여 일정한 크기의 레이저 빔 스폿을 태양전지 면 위에 설정된 범위 내에서 X-축 및 Y-축의 수평 방향으로 스캐닝을 하여 구현할 수 있다 (도 7의 상단). 이 때 태양전지 면 위에서 레이저 스폿을 중첩 되게 어블레이션 하여 물질을 제거하는데 에너지 조절이 완전하지 않을 경우 도 7의 하단의 결과처럼(화살표) 소다라임 글래스 기판(101)표면까지 손상을 입힐 수 있다.
도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 함몰 구조체 페로브스카이트 태양전지 투명창 제작 결과를 도시하였다.
도 7과 도 8을 참조하면, 평면으로부터 파여진 깊이만큼 (약 50 μm)의 단차를 가질 수 있다. 동일한 빔 에너지를 활용하기 위하여 도 4에서 입사 레이저(109)의 디포커스 길이(112)를 조절하여 동일한 에너지를 활용할 수 있다. 도 7과 도 8은 모두 과도한 에너지 사용으로 형성된 글래스면이 손상된 투명창이다.
도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 디포커스 길이 변화에 따른 투명창 개방 공정 결과를 도시하였다.
도 9를 참조하면, 도 9 (a), (e), (h) 는 디포커스 길이(112)가 300 μm의 결과이며, 도 9 (b), (f), (i) 는 디포커스 길이(112)가 400 μm, 도 9 (c), (g), (j) 는 500 μm의 투명창 제작결과이다. 소다라임글래스 기판(101) 유리면을 손상함이 없이 태양전지를 개방한 가장 바람직한 결과는 디포커스 길이(112)가 400 μm에서 제작한 도 9 (b), (f), (i) 일 수 있다. 레이저의 디포커스 길이(112)가 작으면 레이저 에너지의 집중으로 스크라이빙 중 레이저 스폿의 가장자리가 겹쳐지는 부분에서 과도한 빔 에너지로 인하여 후면의 소다라임글래스 기판(101)에서 도 9 (e)에서 보인바와 같이 미세 균열이 발생할 수 있다. 또한, 물질의 용융에 의하여 깨끗한 박막층의 박리가 일어나지 않을 수 있다. 한편 레이저의 디포커스 길이(112)가 커지면 도 9 (c), (g), (j) 와 같이 레이저 에너지의 부족으로 태양전지 박막의 일부가 여전히 소다라임글래스 기판(101) 표면에 남게 되는 현상이 발생할 수 있다. 이 실험 결과에서는 343 nm 펄스레이저의 출력 에너지가 1.2 W와 디포커스 길이(112) 400 μm를 사용하였을 때, 도 9 (b), (f), (i)와 같이 투명창 영역에서 고르게 물질을 제거함으로써 태양전지 면을 개방하는 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 상기 초점 디포커스 단계에서 디포커스 길이(112)는 300 ㎛ 보다는 길고, 500 ㎛ 보다는 짧은 길이로 이루어지고, 상기 디포커스 길이(112)는 상기 제 2투명전도막(106)의 표면으로부터 상기 펄스 레이저 빔(22)의 초점이 디포커스된 상기 제 2투명전도막(106)의 상부 위치까지의 길이로 할 수 있다.
도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지 투명창 개방의 바람직한 결과를 도시하였다.
도 10을 참조하면, 343 nm 파장으로 30 kHz의 펄스 레이저를 이용하여 출력 에너지가 1.0 W와 디포커스 길이(112) 400 μm를 사용해서 제작한 투명창의 바람직한 공정 모습과 각 부분의 공정된 표면에 대한 주사현미경 사진을 볼 수 있다. 도 10 (a), (b), (c) 와 (d), (e), (f) 는 중앙의 개방된 투명창의 각각 왼쪽 및 오른쪽 측면의 확대 사진으로 투명창에 표기된 기호에 대응할 수 있다. 중앙의 도 10 (g) 는 제작된 투명창 2 x 2 어레이 모습이다. 이 결과는 도 9의 레이저 에너지 (1.2 W) 보다 적은 에너지(1.0 W)를 사용하였음에도 태양전지의 개방이 잘 제어됨을 알 수 있다. 레이저의 에너지에 대한 공정 허용 범위를 볼 수 있다.
도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 돌출 구조체 페로브스카이트 태양전지 표면 사진을 도시하였다.
도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명창이 결합된 3차원 돌출 구조체 페로브스카이트 태양전지 표면 사진을 도시하였다.
도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 페로브스카이트 태양전지의 투명창 개방 전후의 광 투과 특성 곡선을 도시하였다.
도 13을 참조하면, 이 그래프에서 투명창의 개방으로 300 nm~900 nm의 전 대역에서 광의 투과 특성이 향상되었으며 특히, 광흡수가 많은 CsPbI2Br 페로브스카이트 소재의 에너지 밴드갭 (λg=650 nm) 이하에서 투명성의 대폭 상승을 볼 수 있다. 이로써 가시광(380~780 nm)의 투과 특성이 20%에서 40%까지 상승하여 시인성을 확보할 수 있다. 따라서 태양전지 개방을 위한 레이저 패턴 스캐닝 방법이 태양전지 구성 박막층의 손실을 최소화하고, 특히 태양전지 특성을 잃지 않고 투명창을 제조 및 투명 태양전지 제작을 가능하게 하는 바람직한 방법을 제공하는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 펄스 레이저 스크라이빙을 이용한 3D 투명 태양전지의 투명창 제조방법은, 페로브스카이트 소재의 구성요소와 대기 중의 불안정성(습기 및 산소와의 반응성)으로 인하여 대기에 노출하여 물을 사용한 세정을 이용하는 CMP, RIE 식각, PR 마스크를 이용한 습식 식각 등의 전통적인 방식으로 원하는 패턴의 제작이 불가능한 페로브스카이트 박막 식각에 있어 펄스 레이저 스크라이빙을 이용할 경우 비접촉으로 원하는 모양의 패턴을 물이나 용매(예, 아세톤)의 사용이 없는 건식 방식으로 제작할 수가 있다. 페로브스카이트 소재는 광흡수성이 우수하여 고효율 태양전지를 제작할 뿐 아니라 광응답성이 우수하기 때문에 광수신소자에 이용할 수 있다. III-V 또는 II-VI 반도체 광원소자등과 같이 광 집적소자에 페로브스카이트 광수신소자를 적용하기 위해서는 소자 모양(마이크로 스트립, 각 도형 형상)의 패터닝이 필수적으로 필요하게 된다. 이와 같은 신소자 응용 분야에 펄스 레이저 스크라이빙에 의한 페로브스카이트 박막을 이용한 광통신 및 광전소자 가공에 활용할 수 있다. 또한, 투명전극이 태양전지 외부에 유지됨으로써 태양전지의 접촉저항을 감소시켜 광전변환효율의 향상을 기대할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
21 : 펄스 레이저 발생기 22 : 레이저 빔
23 : 반사경 24 : 대물렌즈
25 : 레이저 빔 포커스 26 : 태양전지
27 : 작업대
101 : 기판 102 : 제 1투명전도막
103 : 전자수송층 104 : 페로브스카이트 광흡수층
105 : 정공수송층 106 : 제 2투명전도막
107 : 금속양전극 108 : 금속음전극
109 : 입사 레이저 110 : 대물렌즈
111 : 셀표면 레이저 스폿 112 : 디포커스 길이
113 : 대물렌즈 초점길이 114 : 레이저 초점 스폿
115 : 투명창 115 : 투명창 폭
S10 : 펄스 레이저 빔 발생 단계
S20 : 초점 디포커스 단계
S30 : 투명창 형성 단계

Claims (9)

  1. 펄스 레이저 발생기가 가시광선 파장의 펄스 레이저 빔을 발생시키는 펄스 레이저 빔 발생 단계;
    대물렌즈가 상기 펄스 레이저 발생기에서 발생된 펄스 레이저 빔의 초점을 태양전지의 표면으로부터 일정간격 이격된 상기 태양전지의 외부 위치에 디포커스(defocus)하는 초점 디포커스 단계; 및
    작업대가 상기 태양전지를 일정간격으로 이동시키면서 상기 펄스 레이저 빔을 통해 스크라이빙(scribing)을 수행하여 상기 태양전지에 특정 폭의 투명창을 형성하는 투명창 형성 단계;를 포함하며,
    상기 태양전지는,
    기판;
    상기 기판 상에 적층되는 제 1투명전도막;
    상기 제 1투명전도막 상에 적층되는 전자수송층;
    상기 전자수송층 상에 적층되는 광흡수층;
    상기 광흡수층 상에 적층되어 정공이 이동하는 정공수송층; 및
    상기 정공수송층 상에 적층되는 제 2투명전도막;을 포함하고,
    상기 초점 디포커스 단계에서는,
    상기 대물렌즈가 상기 펄스 레이저 빔의 초점을 상기 제 2투명전도막의 표면으로부터 일정간격 이격된 상기 제 2투명전도막의 상부 위치에 디포커스하며,
    상기 초점 디포커스 단계에서,
    디포커스 길이는 300 ㎛ 보다는 길고, 500 ㎛ 보다는 짧은 길이로 이루어지고,
    상기 디포커스 길이는
    상기 제 2투명전도막의 표면으로부터 상기 펄스 레이저 빔의 초점이 디포커스된 상기 제 2투명전도막의 상부 위치까지의 길이이며,
    상기 투명창은
    상기 태양전지의 제 2투명전도막으부터 광흡수층까지가 순차적으로 제거되어 상기 전자수송층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 투명창 형성 단계에서는,
    상기 작업대가 설정된 범위 내에서 상기 태양전지를 X축 및 Y축 방향으로 일정 간격 이동시키는 것을 특징으로 하는 3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 투명창 형성 단계에서는,
    상기 작업대가 상기 태양전지를 일정간격 이동시키는 경우,
    상기 펄스 레이저 빔에 의한 태양전지 표면에서의 셀표면 레이저 스폿이 일정 영역 중첩되는 간격으로 상기 태양전지를 이동시키는 것을 특징으로 하는 3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 투명창 형성 단계에서는,
    상기 태양전지를 이동시키면서 상기 펄스 레이저 빔을 통해 스크라이빙을 수행하는 경우,
    상기 태양전지의 이동 전후 위치에서의 상기 펄스 레이저 빔의 에너지 세기와 디포커스 위치는 각각 동일하게 유지되는 것을 특징으로 하는 3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 투명창은,
    상기 펄스 레이저 빔을 통한 스크라이빙에 의해 상기 태양전지의 제 2투명전도막부터 광흡수층까지가 순차적으로 제거되어, 상기 전자수송층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔은,
    펄스 폭이 1 ns 이상 1 ㎲ 미만인 나노초;
    펄스 폭이 1 ps 이상 1 ns 미만인 피코초; 및
    펄스 폭이 1 fs 이상 1 ps 미만인 펨토초;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 투명 태양전지의 투명창 제조 방법.
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