KR20070059794A - 플렉서블 반도체 전극의 제조방법 및 그에 의해 제조된반도체 전극, 이를 이용한 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 박리층을 통하여 반도체층이 형성된 제 1 기판을 준비하는 단계, (b) 전도성 물질이 코팅된 플렉서블 기판 위에 점착층을 형성하여 제 2 기판을 준비하는 단계; 및 (c) 상기 제 1 기판 상의 반도체층을 가열 압착에 의해 상기 제 2 기판에 전사시키는 단계를 포함하는 플렉서블 반도체 전극의 제조방법, 그에 의해 제조된 반도체 전극 및 그를 이용한 태양전지에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 간단한 공정에 의해 저온에서 안정적으로 플렉서블 반도체 전극을 제조할 수 있고, 이를 이용하여 우수한 광전효율을 갖는 태양전지를 제공할 수 있다.
플렉서블, 태양전지, 염료감응, 탄소나노튜브, 박리층, 점착층
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 플렉서블 반도체 전극의 제조방법을 설명하기 위한 공정 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 플렉서블 반도체 전극의 제조방법을 보다 구체적으로 설명하기 위한 공정 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지의 개략도,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 유리 기판과 TiO2층의 접촉 계면을 나타내는 주사 전자 현미경(SEM) 사진,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 플렉서블 반도체 전극을 촬영한 사진, 및
도 6은 본 발명의 실시에 2에 의한 태양전지의 광전류 전압 곡선이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
101: 플렉서블 반도체 전극 102: 염료
103: 전해질층 104: 대향전극
본 발명은 플렉서블 반도체 전극의 제조방법, 그에 의해 제조된 반도체 전극 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박리층을 통하여 반도체층이 형성된 제 1 기판을 준비한 후, 상기 반도체층을 가열 압착에 의해 점착층이 형성된 별도의 플렉서블한 제 2 기판에 전사시키는 것을 특징으로 하는 플렉서블 반도체 전극의 제조방법, 그에 의해 제조된 반도체 전극 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것이다.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다.
종래에는 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양전지가 많이 사용되어 왔으나, 실리콘 태양전지는 제조 비용이 높고 광전변환효율을 개선하는데도 한계가 있어 새로운 대안이 모색되었다.
실리콘 태양전지의 대안으로 저가로 제조할 수 있는 유기재료를 사용한 태양전지에 대한 관심이 집중되고 있는데, 특히 제조비용이 저렴한 염료감응형 태양전지가 많은 주목을 받고 있다.
염료감응형 태양전지는 넓은 에너지 밴드 갭을 가지는 반도체 물질 표면에 가시광선 영역의 빛을 받아 전자와 정공을 만들어 낼 수 있는 염료를 화학적으로 흡착시켜 에너지 변환효율을 향상시키기 위해 제작된 광 전기화학 태양전지의 새로 운 형태이다. 이는 기존의 실리콘 태양전지나 화합물반도체 태양전지에 비해 그 제작비용이 저렴하고, 유기 태양전지에 비하여 그 효율이 높으며 이 외에도 환경친화적이고 투명화가 가능하다는 장점을 가진다.
특히 플렉서블 반도체 전극을 사용하는 플렉서블 염료감응형 태양전지는 휴대폰, 웨어러블 PC 등 차세대 PC 산업에 필요한 전원의 자가충전이나 옷, 모자, 자동차 유리, 건물 등에 부착해 활용할 수 있다는 점에서 더욱 관심의 초점이 되고 있다.
그러나, 이러한 플렉서블 반도체 전극의 제작에 필요한 플렉서블 기판은 고온에서 쉽게 변형이 일어나기 때문에 150℃ 이하의 저온에서 반도체 전극을 제작해야 하는 제한이 따른다.
이러한 플렉서블 반도체 전극을 제조하는 종래기술로는 저온 소성 페이스트를 플렉서블 기판에 인쇄하여 100℃ 미만에서 건조하거나 또는 불투명한 금속 박막(metal foil) 위에 반도체층을 형성하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 이러한 방법에서는 태양전지의 광전효율이 떨어지거나 막의 안정성이 떨어지는 문제점 등이 발생하여 저온에서 안정적으로 플렉서블 반도체 전극을 제조하기 위한 새로운 방법이 요구되어 왔다.
이와 관련하여 한국특허공개 제1998-64787호는 제 1 기판 표면 영역에 다공질층을 형성하고, 이 다공질층 상에 액상 에피택시에 의해 반도체층을 형성하며, 제 1 기판에 접착된 반도체층 표면의 대향면에 제 2 기판을 접착시키고, 다공질층을 이용하여 반도체층으로부터 제 1 기판을 분리시켜 반도체층을 제 2 기판에 전사 시키는 단계를 포함하는 반도체 부재의 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 종래 기술에서는 다공질층을 이용하여 물리적 힘을 가해 반도체층을 제 2 기판에 전사시키기 때문에 강력한 물리적인 접착력이 요구되고, 다공질층이 반도체 부재에 잔류하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 간단한 공정에 의해 저온에서 안정적으로 플렉서블 반도체 전극을 제조할 수 있는 플렉서블 반도체 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명의 방법에 의해 제조되는 플렉서블 반도체 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 플렉서블 반도체 전극을 포함하는 고효율 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
(a) 박리층을 통하여 반도체층이 형성된 제 1 기판을 준비하는 단계;
(b) 전도성 물질이 코팅된 플렉서블 기판 위에 점착층을 형성하여 제 2 기판을 준비하는 단계; 및
(c) 상기 제 1 기판 상의 반도체층을 가열 압착에 의해 상기 제 2 기판에 전 사시키는 단계를 포함하는 플렉서블 반도체 전극의 제조방법에 관계한다.
본 발명에서 상기 (a) 단계는
i) 상기 제 1 기판 상에 촉매 금속층을 형성하는 단계;
ii) 상기 금속층 상에 반도체층을 형성하는 단계;
iii) 상기 반도체층을 소성하는 단계; 및
iv) 상기 제 1 기판과 상기 반도체층의 계면에 박리층을 형성하는 단계로 구성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 기판, 전도성 물질층, 점착층 및 반도체층을 포함하는 플렉서블 반도체 전극에 관계한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은 플렉서블 반도체 전극, 염료, 대향 전극 및 전해질을 포함하는 태양 전지에 있어서, 상기 플렉서블 반도체 전극이 본 발명에 의한 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지에 관련된다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 플렉서블 반도체 전극의 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, (a) 박리층을 통하여 반도체층이 형성된 제 1 기판을 준비하는 단계, (b) 전도성 물질이 코팅된 플렉서블 기판 위에 점착층을 형성하여 제 2 기판을 준비하는 단계; 및 (c) 상기 제 1 기판 상의 반도체층을 가열 압착에 의해 상기 제 2 기판에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이를 각 단계별로 상세하게 설명하면 하기와 같다.
(a)
박리층을
통하여
반도체층이
형성된 제 1 기판을 준비하는 단계
i) 제 1
기판 상의
촉매
금속층
형성 단계
본 발명의 플렉서블 반도체 전극의 제조방법은 먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 기판에 촉매 금속을 증착하고, 이어서 반도체층을 형성하기 위한 금속산화물 페이스트를 프린팅하여 소성시킴으로써 진행된다.
구체적으로, 상기 제 1 기판으로 사용되는 재료는 고온 열처리가 가능한 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며 구체적으로, 유리 또는 Sus와 같은 금속, 실리콘(Si) 웨이퍼 등을 예로 들 수 있다.
제 1 기판과 반도체층 사이에 박리층을 형성하기 위해서 먼저 제 1 기판 상에 촉매 금속을 증착하여 촉매금속층을 형성한다. 본 발명에 사용될 수 있는 촉매 금속은 니켈, 철, 코발트, 팔라듐, 백금 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된다. 이 때 상기 촉매 금속층의 두께는 0.5nm~10nm인 것이 바람직하다.
이러한 촉매 금속은 일반적인 코팅 방법, 예를 들어 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링 등의 방법을 이용하거나 또는 전자 빔(e-beam) 증착 등을 이용하여 코팅될 수 있다.
ii
)
반도체층
형성 단계
촉매 금속층 형성후에는 촉매 금속층 위에 반도체층을 형성한다. 본 발명에서 반도체층을 형성하는 물질로는 TiO2, ZnO, Nb2O5, WO3, SnO2 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 물질을 하나 이상 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 TiO2를 사용할 수 있다.
상기 반도체층을 구성하는 금속 산화물은 태양전지로 제조하는 경우에 표면에 흡착되는 염료가 보다 많은 빛을 흡수하고 전해질층과의 흡착 정도를 향상시키기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 금속 산화물들은 나노튜브, 나노와이어, 나노벨트 또는 나노입자와 같은 나노구조를 가지는 것이 바람직하다.
상기 반도체층을 형성하는 금속 산화물의 입경은 특별히 제한되지 않으나, 평균 입경으로 1~200nm가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5~100nm, 가장 바람직하게는 2~30nm인 것이 좋다. 이때, 반도체층의 두께는 1~30㎛인 것이 바람직하다. 또한, 입경이 다른 금속 산화물을 사용함으로써 입사광을 산란시키고 양자수율을 향상시키는 것도 가능하다. 구체적으로 기판 위에 100~300nm의 입경을 갖는 금속 산화물층을 5~10㎛ 두께로 형성하고, 그 위에 입경 2~30nm인 금속 산화물층을 10~15㎛ 두께로 형성하게 되면 상기 금속 산화물층이 플렉서블 기판에 전사되었을 경우 전자를 발생시키는 층 위에 빛 산란층이 형성되는 구조로 되기 때문에 더욱 효과적이다.
iii
)
반도체층의
소성 단계
반도체층의 형성 후에는 약 450 내지 550 ℃의 온도에서 약 30분 내지 1 시 간 동안 소성한다. 이와 같이 소성하면 태양전지 특성에 적합한 아나타제형의 결정구조를 갖게 되고 더불어 프린팅을 위해 사용된 첨가물들을 충분히 제거할 수 있게 된다.
iv
) 제 1 기판과
반도체층의
계면에
박리층을
형성하는 단계
이어서 제 1 기판과 반도체층 사이의 계면에 박리층을 형성한다. 본 발명에서 박리층은 제 1 기판 위에 형성된 반도체층이 별도의 플렉서블한 제 2 기판에 전사되는 경우에 반도체층이 제 1 기판으로부터 용이하게 분리될 수 있도록 다공성의 나노와이어 구조를 갖는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에서 박리층은 다공성의 나노와이어 구조를 갖는 것이면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있는데, 일례로 탄소나노튜브, ZnO 나노와이어, SiC, SiO2, 금속 와이어와 같은 물질로 형성될 수 있다. 이하에서는 탄소나노튜브를 박리층으로 사용한 예에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 탄소나노튜브로 구성되는 박리층은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition: CVD) 또는 플라즈마 보강 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)을 사용하여 제 1 기판과 반도체층의 계면에 배치된 촉매 금속층으로부터 직접 탄소나노튜브를 성장시켜 형성될 수 있다.
이때, 경우에 따라서 마그네트론 스퍼터링이나 전자빔 증착에 의하여 제 1 기판 위에 버퍼층을 먼저 형성하고 이어서 촉매 금속층을 형성한 후에 탄소나노튜 브를 성장시킬 수 있다. 상기 촉매 금속층 하부에 형성될 수 있는 버퍼층은 구체적으로 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니오브(Nb)로 이루어진 군에서 선택되며, 이때 버퍼층의 두께는 0.5nm~50nm가 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 박리층은 대략 350~900℃의 온도를 유지하는 반응로 내에 메탄, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄, 일산화탄소 및 이산화탄소와 같은 탄소 함유 가스와 H2, N2 또는 Ar 가스를 함께 주입하면서 촉매 금속층의 표면으로부터 수직 방향으로 탄소나노튜브를 성장시킴으로써 형성된다.
이러한 조건에서는 금속 촉매 표면 상에서의 탄소성 기체(carbonaceous gas)의 분해에 의해 탄소나노튜브가 성장하는 것으로 이해된다. 탄소는 금속 촉매에 용해되고 그러한 금속 촉매를 통해서 확산되어 빠져나감으로써 탄소나노튜브가 수직으로 성장하게 된다. 이때 반응시간은 약 1분 내지 30분 정도로 조절될 수 있다. 탄소나노튜브의 성장 온도와 시간을 이용해서 탄소나노튜브의 길이를 소정의 범위 내로 제어할 수 있다.
(b) 전도성 물질이 코팅된
플렉서블
기판 위에
점착층을
형성하여 제 2 기판을 준비하는 단계
상기와 같이 반도체층과 제 1 기판과의 계면에 박리층이 형성되면, 전도성 물질이 코팅된 플렉서블 기판 위에 점착층을 형성하여 반도체층이 전사되는 제 2 기판을 준비한다.
본 발명에서 상기 플렉서블한 제 2 기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET;polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylene naphathalate), 폴리이미드(Polyimides), 중합성 탄화수소류(Polymeric hydrocarons), 셀룰로오스(Celluloses), 플라스틱(Plastic), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 또는 이들의 조합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 기판 상에 코팅되는 전도성 물질은 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3을 예로 들 수 있다. 이러한 전도성 물질 이외에 폴리디페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 및 이들의 유도체와 같은 페닐폴리아세틸렌 폴리머 및 폴리티오펜과 같은 전도성 고분자도 사용될 수 있다.
상기 플렉서블한 제 2 기판에 코팅되는 점착층은 Ag, Au 등의 금속 박막 또는 고분자 점착제(Polymeric adhesive)로 형성될 수 있다. 본 발명에서 사용가능한 고분자 점착제의 예는 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 크리셀수지, 에폭시수 지, 이소시아네이트계, 아세트산비닐계, 폴리에스테르계, 폴리비닐알코올계, 아크릴레이트계, 시아노아크릴레이트계, 합성고무계 점착제를 예로 들 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
이와 같은 점착층은 일반적인 코팅 방법, 예를 들어 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링 등의 방법을 이용하거나 또는 전기영동법을 이용하여 형성될 수 있다.
(c) 상기 제 1
기판 상의
반도체층을
가열 압착에 의해 상기 제 2 기판에 전사시키는 단계
상기와 같이 해서 점착층이 형성된 별도의 플렉서블한 제 2 기판이 완성되면, 가열 압착에 의해 제 1 기판 상의 반도체층을 상기 제 2 기판으로 전사시킨다. 상기 가열 압착 공정은 구체적으로 100 ~ 300℃, 0.1~ 1M Pa에서 10 ~ 180초 동안 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에 의해서 제조되는 반도체 전극은 플렉서블 기판 위에 전도성 물질층, 점착층 및 반도체층이 차례로 형성되는 구조를 가진다. 이때 각 층을 구성하는 재료 및 각 층의 형성방법은 위에서 설명한 것과 동일하다.
본 발명의 반도체 전극은 염료감응형 태양전지 이외의 광전기변색소자, 태양전지 구동 표시소자 등에도 채용될 수 있다. 본 발명의 반도체 전극은 광전변환소자에 채용시 광전효율을 향상시킬 수 있으므로 고효율 광전변환소자의 구현이 가 능하다.
본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 플렉서블 반도체 전극, 염료, 대향 전극 및 전해질을 포함하는 태양 전지에 관계한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 개략도이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 태양전지는 본 발명의 방법으로 제조된 플렉서블 반도체 전극(101), 염료(102), 전해질층(103), 및 대향전극(104)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 플렉서블 반도체 전극(101)은 본 발명에 따른 방법에 의해 박리층을 이용하여 반도체층을 플렉서블 기판에 전사시킴으로써 형성되며, 이하에서는 염료(102), 전해질층(103), 대향전극(104)에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 염료(102)는 전하 분리기능을 갖고 광감응 작용을 나타내는 것이면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다. 염료의 바람직한 예로는 루테늄 착물을 들 수 있는데, 구체적으로 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식 중, L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 등을 나타낸다). 루테늄 착물 이외에 사용가능한 염료로는 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 염료, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 염료, 페노사프라닌, 카르비블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 염료, 프탈로시아닌 화합물, 루테늄 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 염료, 다환퀴논계 염료 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기
본 발명의 태양전지에서 전해질층(103)은 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용가능한 전해질은 요오드의 아세토나이트릴 용액, NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidone) 용액 및 3-메톡시프로피오나이트릴 용액을 예로 들 수 있다.
본 발명의 태양전지에서 대향전극(104)는 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하나, 절연성 물질이라도 투명 전극에 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면 이것도 사용가능하다. 단, 전기 화학적으로 안정한 재료를 전극으로서 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 백금, 금 및 카본 등을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 반도체 전극을 이용하여 태양전지를 제조하는 경우에는 종래 기술분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 반도체 전극과 대향전극을 서로 대향하도록 배치함과 동시에 소정의 밀봉부재를 사용하여 전해질층이 밀봉되는 공간을 형성한 후, 이 공간에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명하나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
1 :
플렉서블
반도체 전극의 제조
유리 기판 상에 전자 빔(e-beam) 증착을 이용하여 알루미늄의 버퍼층을 10nm 두께로 형성하고, 인바(Invar, Ni:Fe:Co=42:52:6wt%)로 구성된 촉매금속층을 2nm 두께로 형성하였다. 이어서, TiO2를 300nm 크기를 5㎛ 두께로, 9nm 크기를 15㎛ 두께로 프린팅하고, 공기 중 500℃에서 1시간 동안 소성하였다. 이어서, 500℃ 온도를 유지하는 반응로 내에 아세틸렌 및 아르곤을 공급하면서 10분 동안 반응시켜 촉매 금속층 표면에 탄소나노튜브 박리층을 형성하여 제 1 기판을 제조하였다. 이어서, 주사전자현미경(SEM) 사진을 측정하여 하기 도 4에 도시하였다. 도 4에서 확인되는 바와 같이 제 1 기판과 TiO2층 사이의 계면에 탄소나노튜브가 형성되어 있음을 알 수 있다.
한편, ITO가 코팅된 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 플렉서블 기판에 Ag로 형성된 점착층을 (100)nm 두께로 코팅하여 반도체층을 전사하기 위한 제 2 기판을 준비하였다. 그 다음으로 앞서 준비한 TiO2층이 형성된 제 1 기판을 점착층이 형성된 제 2 기판 위에 포개어 놓고 150℃, 0.6MPa에서 120초 동안 가열 압착하여 제 1 기판 상의 TiO2층을 플렉서블한 제 2 기판의 점착층 위에 전사시켜 플렉서블 반도체 전극을 제조하였다.
상기 실시예 1에서 수득한 제 1 기판의 반도체층이 플렉서블한 제 2 기판에 전사된 반도체 전극의 사진을 도 5에 나타내었다. 좌측의 사진은 300 nm 크기의 입자로 구성된 반도체층을 제 2 기판에 전사한 사진이고, 우측 사진은 9 nm 크기의 입자로 구성된 반도체층을 제 2 기판에 전사한 사진이다.
실시예
2 : 태양 전지의 제조
상기 실시예 1에서 수득한 플렉서블 반도체 전극을 0.3mM 농도의 루테늄 디티오시아네이트 2,2 -비피리딜-4,4 -디카르복실레이트 용액에 24시간 침지한 후 건조시켜 상기 염료를 TiO2 표면에 흡착시켰다. 다음으로, 백금으로 대향전극을 형성한 후 상기 대향 전극 표면에 형성된 미세 구멍을 통하여 상기 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 충진하여 소자를 제조하였다. 상기 전해질 용액은 0.6M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드, 0.2M LiI, 0.04M I2 및 0.2M 4-tert-부틸 피리딘을 아세토나이트릴에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액을 사용하였다.
상기 태양전지의 광전압 및 광전류를 측정하여 광전효율을 산출하였다. 이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양전지(Furnhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si+ KG 필터)를 사용하여 보정하였다. 측정된 광전류 전압 곡선으로부터 계산된 광전류밀도(Isc), 개방전압(Voc) 및 충진계수(fill factor, FF)를 하기 수학식 1에 대입하여 산출한 광전효율(ηe)을 하기 표 1에 나타내었다.
상기 식에서, Pinc는 100mW/cm2 (1sun)을 나타낸다.
| 구분 | Isc (mA) | Voc (mV) | FF | 광전효율(%) |
| 실시예 2 | 0.539 | 530.071 | 0.547 | 0.156 |
아울러, 상기 실시예 2에서 제조된 태양전지의 광전류 전압 곡선을 도 6에 나타내었다. 상기 표 1 및 하기 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 플렉서블 태양전지는 우수한 광전효율을 나타낸다.
이상에서 바람직한 구현예를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있으므로, 이러한 다양한 변형예도 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 의하면 간단한 공정에 의해 저온에서 안정적으로 플렉서블 반도체 전극을 제조할 수 있고, 이를 이용하여 우수한 광전효율을 갖는 플렉서블 반도체 전극 및 플렉서블 태양전지를 제공할 수 있다.
Claims (17)
- (a) 박리층을 통하여 반도체층이 형성된 제 1 기판을 준비하는 단계;(b) 전도성 물질이 코팅된 플렉서블 기판 위에 점착층을 형성하여 제 2 기판을 준비하는 단계; 및(c) 상기 제 1 기판 상의 반도체층을 가열 압착에 의해 상기 제 2 기판에 전사시키는 단계를 포함하는 플렉서블 반도체 전극의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계가i) 상기 제 1 기판 상에 촉매 금속층을 형성하는 단계;ii) 상기 금속층 상에 반도체층을 형성하는 단계;iii) 상기 반도체층을 소성하는 단계; 및iv) 상기 제 1 기판과 상기 반도체층의 계면에 박리층을 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 제 1 기판이 유리, 금속, 및 실리콘(Si)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 촉매 금속층이 니켈, 철, 코발트, 팔라듐, 백금 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 반도체층이 TiO2, ZnO, Nb2O5, WO3, SnO2 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 반도체층이 평균 입경 1∼200nm 크기의 금속 산화물 입자에 의해 1~30㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 박리층이 탄소나노튜브, ZnO 나노와이어, SiC 나노와이어, 금속 나노와이어, Si 나노와이어로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 탄소나노튜브가 기상증착법(CVD) 또는 플라즈마 보강 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2 기판이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET;polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylene naphathalate), 폴리이미드(Polyimides), 중합성 탄화수소류(Polymeric hydrocarons), 셀룰로오스(Celluloses), 플라스틱(Plastic), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 또는 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 점착층이 금 또는 은과 같은 금속 박막 또는 고분자 점착제(Polymeric adhesive)로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 가열 압착 공정이 100 ~ 300℃, 0.1 ~ 1M Pa에서 10 ~ 180초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 11항 중 어느 하나의 항에 의해서 제조된 반도체 전극으로서, 상기 반도체 전극이 기판, 전도성 물질층, 점착층 및 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제 12항에 있어서, 상기 플렉서블 기판이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET;polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylene naphathalate), 폴리이미드(Polyimides), 중합성 탄화수소류(Polymeric hydrocarons), 셀룰로오스(Celluloses), 플라스틱(Plastic), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 또는 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제 12항에 있어서, 상기 전도성 물질층이 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제 12항에 있어서, 상기 반도체층이 TiO2, ZnO, Nb2O5, WO3, SnO2 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제 12항에 있어서, 상기 점착층이 금 또는 은과 같은 금속 박막 또는 고분자 점착제(Polymeric adhesive)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제 12항의 플렉서블 반도체 전극, 염료, 대향 전극 및 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지.
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