KR20080050388A - 광전지의 전달 방법 - Google Patents

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하워드 버크
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코나르카 테크놀로지, 인코포레이티드
레오나르트 쿠르츠 스티프퉁 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 전극의 제조 방법과, 관련 구성요소, 시스템 및 방법을 개시한다.

Description

광전지의 전달 방법{METHODS OF TRANSFERRING PHOTOVOLTAIC CELLS}
관련 출원 상호 참조
본 출원은, 그 내용이 본원에 참고로 인용되어 있는, 2005년 7월 12일 출원된 미국 가출원 제60/698,553호를 기초로 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 발명의 개시 내용은 광전지의 제조 방법과, 관련 구성요소, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광전지는, 빛 형태의 에너지를 전기 형태의 에너지로 전환하는 데 통상적으로 사용된다. 전형적인 광전지는 두 전극 사이에 배치되는 광활성 재료를 포함한다. 일반적으로, 빛은 전극의 한쪽 또는 양쪽을 통과하여 광활성 재료와 상호작용함으로써 태양 에너지를 전기 에너지로 전환한다.
발명의 개요
한 측면에서, 본 발명은 광전지가 제2 층에 전달되도록 광전지를 지지하는 제1 층과 다이를 접촉시키는 것을 포함하는 방법을 특징으로 한다.
다른 측면에서, 본 발명은 스탬핑(stamping)을 이용하여 광전지를 형성하는 것을 포함하는 방법을 특징으로 한다.
구체예들은 하기의 측면을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 방법은, 다이를 약 100℃ 이상(예를 들면, 약 150℃ 이상, 약 200℃ 이상, 약 250℃ 이상, 또는 약 300℃ 이상)까지 가열하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 접촉은, 약 100 psi 이상(예를 들면, 약 1,000 psi 이상 또는 약 5,000 psi 이상)의 압력을 다이에 가하는 것을 포함할 수 있다.
상기 방법은, 광전지와 제1 층 사이에 박리층을 배치하는 것을 더 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 박리층은 폴리에스테르(예를 들면, 지방족 폴리에스테르) 또는 폴리에틸렌(예를 들면, 저분자량 폴리에틸렌)으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다.
광전지는 접촉층과 제1 층 사이에 배치될 수 있다. 일부 구체예에서, 접촉층은 접착재(예를 들면, 에폭시, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에틸렌계 중합체, 또는 폴리프로필렌계 중합체)를 포함할 수 있다.
광전지는 광활성 재료를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 광활성 재료는 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 광활성 재료는, 감광화된 상호 연결형 나노입자 재료를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 광활성 재료는 비정질 규소 또는 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CuInGaSe2; CIGS)을 포함한다.
전자 수용체 재료는 풀러린, 무기 나노입자, 옥사디아졸, 디스코틱 액정, 탄소 나노로드, 무기 나노로드, CN 기를 함유하는 중합체, CF3 기를 함유하는 중합체, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다.
전자 공여체 재료는 디스코틱 액정, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐비닐렌, 폴리이소티아나프탈렌, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다.
감광화된 상호 연결형 나노입자 재료는 셀렌화물, 황화물, 텔루르화물, 산화티타늄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화지르코늄, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다.
다이는, 적어도 일부분이 만곡되어 있는 다이의 표면에서 제1 층과 접촉할 수 있다.
제2 층은 적어도 일부분이 만곡되어 있는 제2 층의 표면에 광전지를 수용할 수 있다.
제1 층 또는 제2 층은 가요성 기판을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 제1 또는 제2 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 중합체 탄화수소, 셀룰로스 중합체, 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리에테르 케톤, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 중합체를 포함할 수 있다.
다른 특징 및 장점은 하기 상세한 설명, 도면 및 청구의 범위에서 명백해질 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 광전지 모듈(module)을 평면형 기판에 전달하는 핫스탬핑 공정의 개략도이고,
도 2는 평면형 기판에 부착되는 광전지 모듈의 횡단면도이며,
도 3은 광전지 모듈을 만곡 기판에 전달하는 핫스탬핑(hot stamping) 공정의 개략도이고,
도 4는 만곡 기판에 부착되는 만곡 광전지 모듈의 횡단면도이며,
도 5는 유기 광전지의 횡단면도이고,
도 6은 메쉬 전극의 구체예의 입면도이며,
도 7은 도 6의 메쉬 전극의 횡단면도이고,
도 8은 메쉬 전극의 일부의 횡단면도이며,
도 9는 다른 유기 광전지의 횡단면도이고,
도 10은 직렬로 전기적으로 연결된 다수의 광전지를 함유하는 시스템의 개략도이며,
도 11은 병렬로 전기적으로 연결된 다수의 광전지를 함유하는 시스템의 개략도이고,
도 12는 염료 감응형 태양 전지의 횡단면도이다.
여러 가지 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 가리킨다.
상세한 설명
일반적으로, 본 발명의 개시 내용은 광전지 모듈 또는 광전지의 전달 방법에 관한 것이다.
일부 구체예에서, 1 이상의 광전지를 포함하는 광전지 모듈은 하기의 스탬핑 방법에 의해 층에 전달될 수 있다. 다이(예를 들면, 핫스탬핑 다이)의 표면(예를 들면, 만곡 표면)은 제1 층(예를 들면, 가요성 기판)의 이면과 접촉되어질 수 있다. 제1 층의 전면은 광전지 모듈로 코팅될 수 있다. 이어서, 제1 층의 전면은, 수용층의 역할을 하는 제2 층과 접촉되어질 수 있다. 압력을 다이에 가할 경우, 제1 층의 전면상의 광전지 모듈은 제2 층으로 이동하고 접착한다. 다이에 가하는 압력은 약 100 psi 이상(예를 들면, 약 1,000 psi 이상, 약 5,000 psi 이상)일 수 있다. 일부 구체예에서, 제1 층의 전면은, 다이가 제1 층의 이면에 접촉하기 전에 제 2층과 접촉되어질 수 있다. 이 구체예들에서, 광전지 모듈은 제1 층에서 분리되기 전에 제2 층에 접착될 수 있다.
일부 구체예에서, 다이는 적합한 온도(예를 들면, 약 100℃ 이상, 약 150℃ 이상, 약 200℃ 이상, 약 250℃ 이상, 약 300℃ 이상)까지 가열되어, 제1 층의 전면으로부터 제2 층으로의 광전지 모듈의 전달을 용이하게 할 수 있다.
일부 구체예에서, 광전지 모듈의 박리를 촉진하기 위해 광전지 모듈과 제1 층 사이에 박리층을 포함시킬 수 있다. 박리층은, 스탬핑 공정 중에 다이의 온도 이하에서 연화되거나 용융되는 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료의 예로 왁스 또는 융점이 낮은 중합체(예를 들면, 지방족 폴리에스테르 또는 저분자량 폴리에틸렌)가 있다. 박리층은 두께가 약 0.1 마이크론 이상(약 0.5 마이크론 이상, 약 1.0 마이크론 이상) 또는 약 50 마이크론 이하(약 10 마이크론 이하, 약 5 마이크론 이하)일 수 있다. 일부 구체예에서, 박리층은 스탬프 공정 중에 연화되거나 용융되어 제1 층으로부터의 광전지 모듈의 분리를 용이하게 한다. 광전지 모듈은 박리층의 상부, 하부 또는 상부와 하부 사이의 공간에서 분리될 수 있다.
일부 구체예에서, 광전지 모듈은 제1 층 상의 접촉층과 박리층 사이에 배치될 수 있다. 접촉층은 두께가 약 0.1 마이크론 이상(약 0.5 마이크론 이상, 약 1.0 마이크론 이상) 또는 약 50 마이크론 이하(약 10 마이크론 이하, 약 5 마이크론 이하)일 수 있다. 접촉층은 접착재를 포함할 수 있다. 일반적으로, 적소에 광전지 모듈을 보유할 수 있는 임의의 접착재가 접촉층에 사용될 수 있다. 일부 구체예에서, 접착재는 열감응성 접착재, 즉, 특정 활성화 온도(예를 들면, 약 150℃ 이하, 약 100℃ 이하, 또는 약 50℃ 이하)에서 가열된 후 접착성이 되는 재료이다. 활성화 온도는 스탬핑 공정 중에 사용되는 다이의 온도와 동일하거나 그보다 더 낮은 것이 바람직하다. 열감응성 접착재의 예로 에폭시, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에틸렌계 중합체, 또는 폴리프로필렌계 중합체가 있다. 이론에 구속되고자 하는 바는 아니나, 접촉층이 광전지 모듈과 제2 층의 접착을 용이하게 할 수 있는 것으로 생각된다. 예를 들어, 다이가 스탬핑 공정 중에 가열되는 경우, 접촉층 내의 열감응성 접착재는 접착성이 된 다음, 광전지 모듈을 제2 층에 접착시킨다. 일부 구체예에서, 접착재는 플루오르화 접착제를 포함할 수 있다. 또한, 접착재는, 사용되는 두께에서 투명한 재료로 형성될 수 있거나 전기 전도성 접착제를 함유할 수 있다.
일부 구체예에서, 광전지 모듈은 1 이상의 광전지, 예컨대 유기 광전지, 염료 감응형 태양 전지(DSSC), 비정질 규소 태양 전지, CIGS 태양 전지, 및/또는 탠덤 전지(tandem cell)를 포함할 수 있다.
도 1은, 다이(100)를 사용하여 광전지 모듈(130)을 평면형 기판(110)에서 기판(150)의 평면형 수용 표면(151)으로 전달하는 핫스탬핑 공정의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광전지 모듈(130)은 박리층(120)과 접촉층(140) 사이에 배치된다. 핫스탬핑 공정 중에, 다이(100)는 적합한 온도(예를 들면, 약 100℃ 이상)까지 가열된 다음, 기판(110)과 접촉하게 된다. 박리층(120) 및 접촉층(140)이 연화되거나 용융된 후, 압력(예를 들면, 100 psi 이상)을 다이(100)에 가해서 접촉층(140)을 수용 표면(151)과 접촉시킴으로써 상기 접촉층이 기판(150)에 접착되도록 한다. 이어서, 광전지 모듈(130)은, 다이(100)가 제거될 때 박리층(120)에서 기판(110)으로부터 분리될 수 있다. 도 2는 접촉층(140)을 통해 기판(150)에 부착되는 광전지 모듈(130)의 횡단면도를 도시한다. 도 3은, 양쪽 기판(110 및 150)이 만곡 표면을 갖는 것을 제외하고는 도 1에 기재된 것과 유사한 공정을 도시한다. 도 4는, 접촉층(140)을 통해 기판(150)에 부착되고 만곡 수용 표면(151)에 동형으로 되는 광전지 모듈(130)의 횡단면도를 도시한다.
일부 구체예에서, 상기에 설명한 방법은 연속 제조 공정, 예컨대 롤투롤(roll-to-roll) 공정 또는 웹 공정에서 사용될 수 있다. 롤투롤 공정의 예는, 예를 들어 미국 출원 공보 2005-0263179호에 기재되어 있다.
일부 구체예에서, 상기에 설명한 방법은 유기 광전지를 한 기판에서 다른 기판로 전달하는 데 사용될 수 있다. 도 5는, 투명한 기판(210), 메쉬 캐소드(220), 정공 캐리어층(230), (전자 수용체 재료 및 전자 공여체 재료를 함유하는) 광활성층(240), 정공 차단층(250), 애노드(260) 및 기판(270)을 포함하는 유기 광전지(200)의 횡단면도를 도시한다.
도 6 및 도 7은 메쉬 전극의 입면도 및 횡단면을 각각 도시한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 메쉬 캐소드(220)는 고체 영역(222) 및 개방 영역(224)을 포함한다. 메쉬 캐소드(220)가, 영역(224)을 통해 빛이 캐소드를 지나가고 영역(222)을 통해 전자를 전도할 수 있게 허용하도록, 일반적으로 영역(222)은 전기 전도성 재료로 형성된다.
개방 영역(224)[메쉬 캐소드(220)의 개방 면적]이 차지하는 메쉬 캐소드(220)의 면적은 필요한 만큼 선택할 수 있다. 일반적으로, 메쉬 캐소드(220)의 개방 면적은 메쉬 캐소드(220)의 총 면적의 약 10% 이상(예를 들면, 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상) 및/또는 약 99% 이하(예를 들면, 약 95% 이하, 약 90% 이하, 약 85% 이하)이다.
메쉬 캐소드(220)는 여러 가지 방법으로 제조할 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 전극은 상기에 설명한 바와 같이 층(예를 들면, 기판)상에 스탬핑될 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 고체 영역(222)을 형성하는 재료의 위빙 와이어(weaving wire)로 형성된 직조 메쉬이다. 와이어는, 예를 들어 평직, 첩직, 능직, 능첩직, 또는 이의 조합을 사용하여 직조할 수 있다. 특정 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 용접된 와이어 메쉬로 형성된다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 팽창된 메쉬 형태이다. 팽창된 금속 메쉬는, 예를 들어 영역(224)을 (예를 들면 레이저 제거, 화학적 에칭, 천공을 통해) 재료(예를 들면 전기 전도성 재료, 예컨대 금속)의 시트로부터 제거하고, 이어서 시트를 연신함(예를 들면, 시트를 2차원으로 연신함)으로써 제조할 수 있다. 특정 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는, 영역(224)을 (예를 들면 레이저 제거, 화학적 에칭, 천공을 통해) 제거하고 이후 시트를 연신하지 않음으로써 제조한 금속 시트이다.
특정 구체예에서, 고체 영역(222)은 오로지 전기 전도성 재료로 제조된다[예를 들면, 영역(222)은 전기 전도성인, 실질적으로 동종의 재료로 제조된다). 영역(222)에서 사용될 수 있는 전기 전도성 재료의 예로 전기 전도성 금속, 전기 전도성 합금 및 전기 전도성 중합체가 있다. 예시적인 전기 전도성 금속으로는 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐, 백금 및 티타늄이 있다. 예시적인 전기 전도성 합금으로는 스테인리스 강철(예를 들면, 332 스테인리스 강철, 316 스테인리스 강철), 금 합금, 은 합금, 구리 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 팔라듐 합금, 백금 합금 및 티타늄 합금이 있다. 예시적인 전기 전도성 중합체로는 폴리티오펜[예를 들면, 폴리(3,4-에텔린디옥시티오펜)(PEDOT)], 폴리아닐린(예를 들면, 도핑된 폴리아닐린), 폴리피롤(예를 들면, 도핑된 폴리피롤)이 있다. 일부 구체예에서, 전기 전도성 재료들의 조합이 사용된다. 일부 구체예에서, 고체 영역(222)은 정사각형마다 약 3 옴(ohm) 미만의 저항률을 갖는다.
도 8에 도시된 바와 같이, 일부 구체예에서, 고체 영역(222)은 (예를 들면, 금속화, 증기 증착을 이용하여) 상이한 재료(304)로 코팅되는 재료(302)로 제조한다. 일반적으로, 재료(302)는 임의의 소정 재료(예를 들면, 전기 절연성 재료, 전기 전도성 재료, 또는 반도체 재료)로 형성될 수 있고, 재료(304)는 전기 전도성 재료이다. 재료(302)를 형성할 수 있는 전기 절연성 재료의 예로 직물(textile), 광섬유 재료, 중합체 재료(예를 들면, 나일론) 및 천연 재료(예를 들면, 아마, 무명, 모직, 명주)가 있다. 재료(302)를 형성할 수 있는 전기 전도성 재료의 예로 상기에 개시한 전기 전도성 재료가 있다. 재료(302)를 형성할 수 있는 반도체 재료의 예로 인듐 주석 산화물, 플루오르화 산화주석, 산화주석 및 산화아연이 있다. 일부 구체예에서, 재료(302)는 섬유의 형태이고, 재료(304)는 재료(302)상에 코팅된 전기 전도성 재료이다. 특정 구체예에서, 재료(302)는, 메쉬로 형성된 후 재료(304)로 코팅되는 메쉬의 형태이다(상기 논의를 참조하라). 예로서, 재료(302)는 팽창된 금속 메쉬일 수 있고, 재료(304)는 팽창된 금속 메쉬 상에 코팅된 PEDOT일 수 있다.
일반적으로, 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께[즉, 메쉬 캐소드(220)와 접촉하는 기판(210)의 표면에 실질적으로 수직인 방향으로의 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께]는 정공 캐리어층(230)의 총 두께보다 작아야 한다. 일반적으로, 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께는 0.1 마이크론 이상(예를 들면, 약 0.2 마이크론 이상, 약 0.3 마이크론 이상, 약 0.4 마이크론 이상, 약 0.5 마이크론 이상, 약 0.6 마이크론 이상, 약 0.7 마이크론 이상, 약 0.8 마이크론 이상, 약 0.9 마이크론 이상, 약 1 마이크론 이상) 및/또는 약 10 마이크론 이하(예를 들면, 약 9 마이크론 이하, 약 8 마이크론 이하, 약 7 마이크론 이하, 약 6 마이크론 이하, 약 5 마이크론 이하, 약 4 마이크론 이하, 약 3 마이크론 이하, 약 2 마이크론 이하)이다.
도 6에서는 직사각형을 갖는 것으로 도시되어 있긴 하나, 개방 영역(224)은 일반적으로 임의의 소정의 형상(예를 들면, 정사각형, 원, 반원, 삼각형, 다이아몬드형, 타원, 사다리꼴, 불규칙형)을 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220) 내의 상이한 개방 영역(224)은 상이한 형상들을 가질 수 있다.
도 7에서는 정사각형의 횡단면을 갖는 것으로 도시되어 있긴 하나, 고체 영역(222)은 일반적으로 임의의 소정의 형상(예를 들면, 직사각형, 원, 반원, 삼각형, 다이아몬드형, 타원, 사다리꼴, 불규칙형)을 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220) 내의 상이한 고체 영역(222)은 상이한 형상을 가질 수 있다. 고체 영역(222)이 원형 횡단면을 갖는 구체예에서, 상기 횡단면은 직경이 약 5 마이크론∼약 200 마이크론 범위일 수 있다. 고체 영역(222)이 사다리꼴 횡단면을 갖는 구체예에서, 상기 횡단면은 높이가 약 0.1 마이크론∼약 5 마이크론 범위일 수 있고, 너비가 약 5 마이크론∼약 200 마이크론 범위일 수 있다.
일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 가요성이다[예를 들면, 연속적인, 롤투롤 제조 공정를 이용하여 광전지(200)에 혼입하기에 충분히 가요성임]. 특정 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)는 반경질(semi-rigid) 또는 비가요성(inflexible)이다. 일부 구체예에서, 메쉬 캐소드(220)의 상이한 영역들은 가요성, 반경질 또는 비가요성(예를 들면, 가요성인 1 이상의 영역과 반경질인 1 이상의 상이한 영역, 가요성인 1 이상의 영역과 비가요성인 1 이상의 상이한 영역)일 수 있다.
일반적으로, 메쉬 전극(220)은 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 일부 구체예에서, 메쉬 전극(220)은 기판(210)에 부분적으로 끼워넣어 질 수 있다.
기판(210)은 일반적으로 투명한 재료로 형성된다. 본원에서 인용한 바와 같이, 투명한 재료는, 광전지(200)에서 사용되는 두께에서, 광전지의 작동 중에 사용되는 파장 또는 파장 범위의 입사광 약 60% 이상(예를 들면, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상)을 전도하는 재료이다. 기판(210)을 형성할 수 있는 예시적 재료는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 중합체 탄화수소, 셀룰로스 중합체, 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리에테르 케톤, 및 이의 조합을 포함한다. 특정 구체예에서, 중합체는 플루오르화 중합체일 수 있다. 일부 구체예에서, 중합체 재료의 조합이 사용된다. 특정 구체예에서, 기판(210)의 상이한 영역은 상이한 재료로 형성될 수 있다.
일반적으로, 기판(210)은 가요성, 반경질 또는 경질(예를 들면, 유리)일 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(210)은 굴곡률(flexural modulus)이 약 5,000 메가파스칼 미만(예를 들면, 약 2,500 메가파스칼 미만 또는 약 1,000 메가파스칼 미만)이다. 특정 구체예에서, 기판(210)의 상이한 영역들은 가요성, 반경질 또는 비가요성(예를 들면, 가요성인 1 이상의 영역과 반경질인 1 이상의 상이한 영역, 가요성인 1 이상의 영역과 비가요성인 1 이상의 상이한 영역)일 수 있다.
일반적으로, 기판(210)은 두께가, 약 1 마이크론 이상(예를 들면, 약 5 마이크론 이상, 약 10 마이크론 이상) 및/또는 약 1,000 마이크론 이하(예를 들면, 약 500 마이크론 이하, 약 300 마이크론 이하, 약 200 마이크론 이하, 약 100 마이크론 이하, 약 50 마이크론 이하)이다.
일반적으로, 기판(210)은 착색되거나 착색되지 않을 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(210)의 1 이상의 부분이 착색되는 한편, 기판(210)의 1 이상의 상이한 부분은 착색되지 않는다.
기판(210)은 1 개의 평면형 표면(예를 들면, 빛이 충돌하는 표면) 또는 2 개의 평면형 표면(예를 들면, 빛이 충돌하는 표면과 그 대향 표면)을 갖거나, 평면형 표면을 갖지 않을 수 있다. 기판(210)의 비평면형 표면은, 예를 들어 만곡형 또는 계단형일 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(210)의 비평면형 표면은 패턴화된다(예를 들면, 프레넬 렌즈, 렌티큘러 렌즈 또는 렌티큘러 프리즘을 형성하기 위해 패턴화 단계를 가짐).
정공 캐리어층(230)은 일반적으로, 광전지(200)에서 사용되는 두께에서, 정공을 메쉬 캐소드(220)로 수송하고 전자가 메쉬 캐소드(220)로 수송되는 것을 실질적으로 차단하는 재료로 형성된다. 층(230)을 형성할 수 있는 재료의 예로 폴리티오펜(예를 들면, PEDOT), 폴리아닐린, 폴리비닐카르바졸, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐렌비닐렌 및/또는 폴리이소티아나프타넨이 있다. 일부 구체예에서, 정공 캐리어층(230)은 정공 캐리어 재료들의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 정공 캐리어층(230)의 상부 표면[즉, 활성층(240)과 접촉하는 정공 캐리어층(230)의 표면]과 기판(210)의 상부 표면[즉, 메쉬 전극(220)과 접촉하는 기판(210)의 표면] 사이의 거리는 필요한 만큼 변화될 수 있다. 일반적으로, 정공 캐리어층(230)의 상부 표면과 메쉬 캐소드(220)의 상부 표면 사이의 거리는 0.01 마이크론 이상(예를 들면, 약 0.05 마이크론 이상, 약 0.1 마이크론 이상, 약 0.2 마이크론 이상, 약 0.3 마이크론 이상, 약 0.5 마이크론 이상) 및/또는 약 5 마이크론 이하(예를 들면, 약 3 마이크론 이하, 약 2 마이크론 이하, 약 1 마이크론 이하)이다. 일부 구체예에서, 정공 캐리어층(230)의 상부 표면과 메쉬 캐소드(220)의 상부 표면 사이의 거리는 약 0.01 마이크론∼약 0.5 마이크론이다.
활성층(240)은 일반적으로 전자 수용체 재료 및 전자 공여체 재료를 함유한다.
전자 수용체 재료의 예로 풀러린, 옥사디아졸, 탄소 나노로드, 디스코틱 액정, 무기 나노입자(예를 들면, 산화아연, 산화텅스텐, 인화인듐, 셀렌화카드뮴 및/또는 황화납으로 형성되는 나노입자), 무기 나노로드(예를 들면, 산화아연, 산화텅스텐, 인화인듐, 셀렌화카드뮴 및/또는 황화납으로 형성되는 나노로드), 또는 전자를 수용할 수 있거나 안정된 음이온을 형성할 수 있는 부분을 함유하는 중합체(예를 들면, CN 기를 함유하는 중합체, CF3 기를 함유하는 중합체)가 있다. 일부 구체예에서, 전자 수용체 재료는 치환된 풀러린(예를 들면, C61-페닐-부티르산 메틸 에스테르; PCBM)이다. 일부 구체예에서, 활성층(240)은 전자 수용체 재료들의 조합을 포함할 수 있다.
전자 공여체 재료의 예로 디스코틱 액정, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐비닐렌, 폴리이소티아나프탈렌, 및 이의 조합이 있다. 일부 구체예에서, 전자 공여체 재료는 폴리(3-헥실티오펜)이다. 특정 구체예에서, 활성층(240)은 전자 공여체 재료들의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 활성층(240)은 이에 충돌하는 광자를 흡수하는 데 비교적 효율적이라서 해당 전자 및 정공을 형성하기에 충분히 두껍고, 정공 및 전자를 층들(230 및 250)에 각각 수송하는 데 비교적 효율적이게 충분히 얇다. 특정 구체예에서, 층(240)은 두께가, 0.05 마이크론 이상(예를 들면, 약 0.1 마이크론 이상, 약 0.2 마이크론 이상, 약 0.3 마이크론 이상) 및/또는 약 1 마이크론 이하(예를 들면, 약 0.5 마이크론 이하, 약 0.4 마이크론 이하)이다. 일부 구체예에서, 층(240)은 두께가 약 0.1 마이크론∼약 0.2 마이크론이다.
정공 차단층(250)은 일반적으로, 광전지(200)에서 사용되는 두께에서, 전자를 애노드(260)로 수송하고 정공이 애노드(260)로 수송하는 것을 실질적으로 차단하는 재료로 형성된다. 층(250)을 형성할 수 있는 재료의 예로 LiF 및 금속 산화물(예를 들면, 산화아연, 산화티타늄)이 있다.
일반적으로, 정공 차단층(250)은 두께가, 0.02 마이크론 이상(예를 들면, 약 0.03 마이크론 이상, 약 0.04 마이크론 이상, 약 0.05 마이크론 이상) 및/또는 약 0.5 마이크론 이하(예를 들면, 약 0.4 마이크론 이하, 약 0.3 마이크론 이하, 약 0.2 마이크론 이하, 약 0.1 마이크론 이하)이다.
애노드(260)는 일반적으로 전기 전도성 재료, 예컨대 상기에 언급한 전기 전도성 재료들 중 하나 이상으로 형성된다. 일부 구체예에서, 애노드(260)는 전기 전도성 재료들의 조합으로 형성된다.
일반적으로, 기판(270)은 기판(220)과 동일할 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(270)은 기판(220)과 상이할 수 있다(예를 들면, 상이한 형상을 갖거나 상이한 재료 또는 불투명한 재료로 형성됨).
도 9는 기판(210)과 정공 캐리어층(230) 사이에 접착층(410)을 포함하는 광전지(400)의 횡단면도를 도시한다.
일반적으로, 적소에 메쉬 캐소드(220)를 보유할 수 있는 임의의 재료가 접착층(410)에 사용될 수 있다. 일반적으로, 접착층(410)은 광전지(400)에 사용되는 두께에서 투명한 재료로 형성된다. 접착제의 예로 에폭시 및 우레탄이 있다. 접착층(410)에 사용될 수 있는, 상업적으로 입수 가능한 재료의 예로 BynelTM 접착제(DuPont) 및 615 접착제(3M)가 있다. 일부 구체예에서, 층(410)은 플루오르화 접착제를 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 층(410)은 전기 전도성 접착제를 함유한다. 전기 전도성 접착제는, 예를 들어 본질적으로 전기 전도성인 중합체, 예컨대 상기에 개시한 전기 전도성 중합체(예를 들면, PEDOT)로 형성될 수 있다. 또한, 전기 전도성 접착제는 1 이상의 전기 전도성 재료(예를 들면, 전기 전도성 입자)를 함유하는 중합체(예를 들면, 본질적으로 전기 전도성이 아닌 중합체)로 형성될 수 있다. 일부 구체예에서, 층(410)은 1 이상의 전기 전도성 재료를 함유하는 본질적으로 전기 전도성인 중합체를 함유한다.
일부 구체예에서, 층(410)의 두께[즉, 층(410)과 접촉하는 기판(210)의 표면에 실질적으로 수직인 방향으로의 층(410)의 두께]는 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께보다 덜 두껍다. 일부 구체예에서, 층(410)의 두께는, 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께의 약 90% 이하(예를 들면, 약 80% 이하, 약 70% 이하, 약 60% 이하, 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 30% 이하, 약 20% 이하)이다. 그러나, 특정 구체예에서, 층(410)의 두께는 메쉬 캐소드(220)의 최대 두께와 대략 동일하거나 그보다 더 크다.
일반적으로, 메쉬 캐소드를 갖는 광전지는 필요한 만큼 제조할 수 있다.
일부 구체예에서, 광전지는 하기와 같이 제조할 수 있다. 전극(260)은 종래의 기술을 이용하여 기판(270)상에 형성할 수 있으며, 정공 차단층(250)이 전극(260) 상에 형성될 수 있다(예를 들면, 진공 증착 공정 또는 용액 코팅 공정을 이용함). 활성층(240)은 정공 차단층(250) 상에 형성된다(예를 들면, 용액 코팅 공정, 예컨대 슬롯 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅을 이용함). 정공 캐리어층(230)은 활성층(240)에 형성된다(예를 들면, 용액 코팅 공정, 예컨대 슬롯 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅을 이용함). 메쉬 캐소드(220)는 정공 캐리어층(230)에 부분적으로 배치된다(예를 들면, 상기에 설명한 스탬핑 방법에 의함). 이어서, 기판(210)은 종래의 방법을 이용하여 메쉬 캐소드(220) 및 정공 캐리어층(230) 상에 형성한다.
특정 구체예에서, 광전지는 하기와 같이 제조할 수 있다. 전극(260)은 종래의 기술을 이용하여 기판(270) 상에 형성할 수 있으며, 정공 차단층(250)이 전극(260) 상에 형성된다(예를 들면, 진공 증착 또는 용액 코팅 공정을 이용함). 활성층(240)은 정공 차단층(250) 상에 형성된다(예를 들면 용액 코팅 공정, 예컨대 슬롯 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅을 이용함). 정공 캐리어층(230)은 활성층(240)에 형성된다(예를 들면 용액 코팅 공정, 예컨대 슬롯 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅을 이용함). 접착층(410)은 종래의 방법을 이용하여 정공 캐리어층(230) 상에 배치한다. 메쉬 캐소드(220)는 접착층(410) 및 정공 캐리어층(230)에 부분적으로 배치된다[예를 들면, 접착층(410)의 표면에 메쉬 캐소드(220)를 배치하고 메쉬 캐소드(220)를 압착함에 의함]. 이어서, 기판(210)은 종래의 방법을 이용하여 메쉬 캐소드(220) 및 접착층(410) 상에 형성할 수 있다.
전술한 공정들이 메쉬 캐소드(220)를 정공 캐리어층(230)에 부분적으로 배치하는 것을 포함하는 반면, 일부 구체예에서는, 도면에 도시된 개방 구조를 갖는 전극을 제공하기 위해 정공 캐리어층(230) 또는 접착층(410)의 표면에 캐소드 재료를 인쇄함으로써 메쉬 캐소드(220)를 형성한다. 예를 들어, 메쉬 캐소드(220)는 스탬핑, 딥 코팅(dip coating), 압출 코팅, 분무 코팅, 잉크제트 인쇄, 스크린 인쇄 및 그라비어 인쇄를 이용하여 인쇄할 수 있다. 캐소드 재료는 가열 또는 방사(예를 들면, UV 방사, 가시 방사, IR 방사, 전자 빔 방사)시 응고하는 페이스트에 배치될 수 있다. 캐소드 재료는, 예를 들어 스크린을 통해 메쉬 패턴에 진공 증착할 수 있거나, 증착 후 광식각법으로 패턴화할 수 있다.
다수의 광전지는 전기적으로 연결되어 광전지 시스템을 형성할 수 있다. 예로서, 도 10은 광전지(520)를 함유하는 모듈(510)을 갖는 광전지 시스템(500)의 개략도이다. 전지(520)는 직렬로 전기적으로 연결되며, 시스템(500)은 로드에 전기적으로 연결된다. 다른 예로서, 도 11은 광전지(620)를 함유하는 모듈(610)을 갖는 광전지 시스템(600)의 개략도이다. 전지(620)는 병렬로 전기적으로 연결되며, 시스템(600)은 로드에 전기적으로 연결된다. 일부 구체예에서, 광전지 시스템 내의 광전지의 일부(예를 들면, 전부)는 1 이상의 공통 기판을 가질 수 있다. 특정 구체예에서, 광전지 시스템 내의 일부 광전지는 직렬로 전기적으로 연결되고, 광전지 시스템 내의 일부 광전지는 병렬로 전기적으로 연결된다.
일부 구체예에서, 다수의 광전지를 함유하는 광전지 시스템은 연속 제조 공정, 예컨대 롤투롤 공정 또는 웹 공정을 이용하여 제조할 수 있다. 일부 구체예에서, 연속 제조 공정은, 제1 전진 기판상에 광전지 조각(portion)의 군을 형성하는 단계, 제1 기판상의 2 이상의 전지 조각들 사이에 전기 절연성 재료를 배치하는 단계, 제1 기판상의 2 이상의 광전지 조각들 사이의 전기 절연성 재료에 와이어를 끼워넣는 단계, 제2 전진 기판상에 광전지 조각의 군을 형성하는 단계, 제1 기판과 제2 기판 및 광전지 조각을 조합하여 다수의 광전지를 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 2 이상의 광전지가 와이어에 의해 직렬로 전기적으로 연결된다. 일부 구체예에서, 제1 기판 및 제2 기판은 연속적으로 전진되거나, 간헐적으로 전진되거나, 불규칙하게 전진될 수 있다.
일부 구체예에서, 상기에 설명한 스탬핑 방법은 DSSC에 사용하는 기판상에 전극을 인쇄하는 데 사용될 수 있다. 도 12는 기판(710), 전극(720), 촉매층(730), 충전 캐리어층(740), 광활성층(750), 전극(760), 기판(770) 및 외부 로드(780)를 포함하는 DSSC(700)의 횡단면도이다. DSSC의 예는, 미국 특허 출원 제11/311,805호(2005년 12월 19일에 출원됨) 및 제11/269,956호(2005년 11월 9일 출원됨)에 논의되어 있으며, 이의 내용은 본원에 참고로 인용되어 있다.
일부 구체예에서, 상기에 설명한 스탬핑 방법은 탠덤 전지에 사용하는 기판상에 전극을 인쇄하는 데 사용될 수 있다. 탠덤 광전지의 예는, 미국 특허 출원 제10/558,878호 및 미국 임시 출원 제60/790,606호, 제60/792,635호, 제60/792,485호, 제60/793,442호, 제60/795,103호, 제60/797,881호 및 제60/798,258호에 논의되어 있으며, 이의 내용은 본원에 참고로 인용되어 있다.
특정 구체예들을 개시하였으나, 다른 구체예도 역시 가능하다.
한 예로서, 메쉬로 형성된 캐소드가 설명되었으나, 일부 구체예에서는 메쉬 애노드를 사용할 수 있다. 이는, 예를 들어 애노드에 의해 전도되는 빛을 사용하는 경우에 바람직할 수 있다. 특정 구체예에서는, 메쉬 캐소드 및 메쉬 애노드가 모두 사용된다. 이는, 예를 들어 캐소드 및 애노드 모두에 의해 전도되는 빛을 사용하는 경우에 바람직할 수 있다.
다른 예로서, 전지의 캐소드 측을 통해 전도되는 빛을 사용하는 구체예가 일반적으로 설명되었으나, 특정 구체예에서는 전지의 애노드 측에 의해 전도되는 빛을 사용한다(예를 들면, 메쉬 애노드를 사용하는 경우). 일부 구체예에서는, 전지의 캐소드 및 애노드 측 모두에 의해 전도되는 빛을 사용한다(메쉬 캐소드 및 메쉬 애노드를 사용하는 경우).
다른 예로서, 메쉬로 형성되는 캐소드가 설명되었으나, 일부 구체예에서 메쉬가 아닌 캐소드가 사용될 수 있다. 특정 구체예에서, 메쉬가 아닌 캐소드 및 메쉬가 아닌 애노드 모두가 사용될 수 있다.
추가의 예로서, 전극(예를 들면, 메쉬 전극, 메쉬가 아닌 전극)은 전기 전도성 재료로 형성되는 것으로 설명되었으나, 일부 구체예에서 광전지는 반도체 재료로 형성되는 1 이상의 전극(예를 들면, 1 이상의 메쉬 전극, 1 이상의 메쉬가 아닌 전극)을 포함할 수 있다. 반도체 재료의 예로 인듐 주석 산화물, 플루오르화 산화주석, 산화주석 및 산화아연이 있다.
추가의 예로서, 일부 구체예에서, 1 이상의 반도체 재료는 메쉬 전극의 개방 영역(예를 들면, 메쉬 캐소드의 개방 영역, 메쉬 애노드의 개방 영역, 메쉬 캐소드의 개방 영역과 메쉬 애노드의 개방 영역)에 배치될 수 있다. 반도체 재료의 예로 산화주석, 플루오르화 산화주석, 산화주석 및 산화아연이 있다. 또한, 다른 반도체 재료, 예컨대 부분적으로 투명한 반도체 중합체는 메쉬 전극의 개방 영역에 배치될 수 있다. 예를 들어, 부분적으로 투명한 중합체는, 광전지에 사용되는 두께에서, 광전지의 작동 중에 사용되는 파장 또는 파장 범위의 입사광 약 60% 이상(예를 들면, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상)을 전도하는 중합체일 수 있다. 일반적으로, 메쉬 전극의 개방 영역에 배치되는 반도체 재료는 광전지에 사용되는 두께에서 투명하다.
다른 예로서, 특정 구체예에서, 보호층을 기판의 한쪽 또는 양쪽에 붙일 수 있다. 보호층은, 예를 들어 오염 물질(예를 들면, 먼지, 습기, 산소, 화학 물질)로부터의 광전지의 보호 및/또는 전지의 내구성 향상을 위해 사용될 수 있다. 특정 구체예에서, 보호층은 중합체(예를 들면, 플루오르화 중합체)로 형성될 수 있다.
추가의 예로서, 특정 유형의 광전지가 1 이상의 메쉬 전극을 갖는 것으로 설명되었으나, 1 이상의 메쉬 전극(메쉬 캐소드, 메쉬 애노드, 메쉬 캐소드와 메쉬 애노드)은 다른 유형의 광전지에서도 역시 사용될 수 있다. 이러한 광전지의 예로, 비정질 규소, 셀렌화카드뮴, 카드뮴 텔루르화물, 구리 인듐 황화물 및 구리 인듐 갈륨 비화물로 형성된 활성 재료를 갖는 광활성 전지가 있다.
추가의 예로서, 재료들(302 및 304)은 상이한 재료로 형성되는 것으로 설명되어 있으나, 일부 구체예에서는 동일한 재료로 형성된다.
다른 예로서, 고체 영역(222)은 상이한 재료상에 코팅된 한가지 재료로 형성되는 것으로 도 8에 도시되어 있긴 하나, 일부 구체예에서는 2 이상의 코팅된 재료(예를 들면, 3 가지 코팅된 재료, 4 가지 코팅된 재료, 5 가지 코팅된 재료, 6 가지 코팅된 재료)로 형성될 수 있다.
다른 구체예는 청구의 범위에 있다.

Claims (26)

  1. 광전지를 지지하는 제1 층과 다이를 접촉시켜, 상기 광전지가 제2 층에 전달되도록 하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이를 약 100℃ 이상까지 가열하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다이를 약 300℃ 이상까지 가열하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 접촉 단계는 상기 다이에 약 100 psi 이상의 압력을 가하는 것을 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접촉 단계는 상기 다이에 약 1,000 psi 이상의 압력을 가하는 것을 포함하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 접촉 단계는 상기 다이에 약 5,000 psi 이상의 압력을 가하는 것을 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 한 광전지와 상기 제1 층 사이에 박리층을 배치하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 박리층은 폴리에스테르 또는 폴리에틸렌을 포함하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광전지는 접촉층과 상기 제1 층 사이에 배치되는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 접촉층은 접착재를 포함하는 것인 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 접착재는 에폭시, 폴리우레탄, 폴리우레아, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에틸렌계 중합체, 또는 폴리프로필렌계 중합체를 포함하는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광전지는 광활성 재료를 포함하는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광활성 재료는 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료를 포함하는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전자 수용체 재료는 풀러린, 무기 나노입자, 옥사디아졸, 디스코틱 액정, 탄소 나노로드, 무기 나노로드, CN 기를 함유하는 중합체, CF3 기를 함유하는 중합체, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 전자 공여체 재료는 디스코틱 액정, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐비닐렌, 폴리실란, 폴리티에닐비닐렌 및 폴리이소티아나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 광활성 재료는 감광화된 상호 연결형 나노입자 재료를 포함하는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 감광화된 상호 연결형 나노입자 재료는 셀렌화물, 황화물, 텔루르화물, 산화티타늄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화지르코늄, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 광활성 재료는 비정질 규소 또는 CIGS를 포함하는 것인 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 다이는 적어도 일부분이 만곡되어 있는 상기 다이의 표면에서 상기 제1 층과 접촉하는 것인 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제2 층은 적어도 일부분이 만곡되어 있는 상기 제2 층의 표면에서 광전지를 수용하는 것인 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 제1 층 또는 상기 제2 층은 가요성 기판을 포함하는 것인 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 층 또는 상기 제2 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 중합체 탄화수소, 셀룰로스 중합체, 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리에테르 케톤, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 중합체를 포함하는 것인 방법.
  23. 스탬핑(stamping)을 이용하여 광전지를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 형성 단계는 광전지를 지지하는 제1 층과 다이를 접촉시켜, 상기 광전지가 제2 층에 전달되도록 하는 것을 포함하는 것인 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 다이를 약 100℃ 이상까지 가열하는 단계를 더 포함 하는 것인 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 접촉 단계는 상기 다이에 약 100 psi 이상의 압력을 가하는 것을 포함하는 것인 방법.
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