KR20100056224A - 플렉시블 태양전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

유기 태양 전지로서 고분자 물질을 사용하여 플렉시블 소자의 구현이 용이한 플렉시블 태양전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기판상에 레이저 패턴 장치를 사용하여 소정의 간격으로 ITO 스트립 패턴을 형성하는 단계 및 상기 스트립 패턴을 이용하여 다수의 태양전지 셀을 형성하는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.

상기와 같은 플렉시블 태양전지 모듈 및 그 제조 방법을 이용하는 것에 의해 제조 비용을 저감하여 생산단가를 저렴하게 할 수 있고, 롤 투 롤(roll to roll) 시스템의 적용이 용이하며, 박막 봉지 기술의 적용이 가능하다는 효과가 얻어진다.

태양전지, 플렉시블, 셀, 레이저

Description

플렉시블 태양전지 모듈 및 그 제조 방법{Flexible solar battery module and manufacture method thereof}

본 발명은 플렉시블 태양전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 유기 태양 전지로서 고분자 물질을 사용하여 플렉시블 소자의 구현이 용이한 플렉시블 태양전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수 십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다. 이들 중 태양에너지를 이용한 태양 전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양전지가 각광을 받고 있다.

그러나 이와 같은 실리콘 태양전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작 비용이 현저히 저렴한 염료 감응 태양 전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.

예를 들어 염료 감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자 및 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기 화학적 태양 전지이다.

도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리에 대한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 태양광이 염료분자에 흡수되면 염료분자는 기저상태에서 여기 상태로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 만들고, 여기상태의 전자는 금속산화물 입자 계면의 전도대(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 플라스틱 기판 위의 투명 도전체 계면을 통한 뒤 외부회로를 통해 상대전극으로 이동한다.

한편 전자전이 결과로 산화된 염료는 전해질 내 산화-환원 커플에 의해 환원되고, 산화된 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 상대전극의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로서 전력을 생성하게 된다.

도 2는 도 1에 대한 실질적인 적층구조를 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 일반적인 플렉시블 형태의 염료감응 태양전지는 플라스틱 기판(13), 투명 도전체(14), 상대전극(15), 전해질층(16), 염료분자(11), 금속산화물(12) 및 고분자필름(17) 등으로 구성된다.

이와 같은 염료감응 태양전지는 도 1에서 나타낸 태양전지의 작동을 위한 특성제어뿐만 아니라 빛에 의해 태양 전지로부터 생성된 전자를 손실 없이 전극으로 수집할 수 있는 능력을 갖추어야 한다. 그 중에서 금속산화물(12)과 투명 도전 전극(14)의 계면에서 일어나는 전자이동은 염료감응 태양전지의 특성에 크게 영향을 주게 된다. 빛에 의해 광 여기 된 염료분자(11)에 의해 전하가 발생하고 금속산화물(12)에 전자가 전달되면, 다시 플라스틱 기판(13) 위의 투명 도전 전극(14) 쪽으로 전자가 이동하게 되는데, 이때 투명 도전 전극(14)과 금속산화물의 밀착력이 좋지 않으면 원활한 전자전달이 안되고 충분한 집전이 이루어지지 않는다.

즉, 기존의 태양전지는 무기반도체를 이용하는 태양전지가 대부분이었다.

그리고 기판은 유리나 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 일반화되어 있었다.

그리고 최근에 플렉시블(Flexible) 솔라의 제품도 다양하게 시도되고 있는데 그 중에 하나는 CIGS 이고 a-Si 층을 사용하는 솔라도 플렉시블 제품에 적용되어지고 있다.

하지만 이것은 완전한 플렉시블의 형태가 아니고, 무기박막으로 형성되어 지므로, 구조 자체는 벤딩(bending)에 아주 취약하다.

하지만 최근에 유기 반도체용 물질의 개발이 이루어지고, 이를 태양전지 부분에 적용되므로서, 플랙시블 태양전지로의 적용이 기대되어 진다.

하지만 이 기술은 초창기의 것으로서 아직 보완되어져야 할 것이 많이 있다.

그 중에 하나가 플렉시블 기판에서 적용하기 위한 모듈의 제작 구조이다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 필요한 단위 셀의 제작을 위하여 기존에 사용되어 지는 투명 전극의 패턴을 위한 노광 장치를 사용하는 공정, 금속 박막의 증착을 위해서 사용되는 마스크, 박막 봉지 진행시 발생하는 에지 실(edge seal)의 문제 해결을 함으로서 원가 절감 구현하는 플렉시블 태양전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 플렉시블 태양전지 모듈의 제조 방법은 기판상에 레이저 패턴 장치를 사용하여 소정의 간격으로 ITO 스트립 패턴을 형성하는 단계 및 상기 스트립 패턴을 이용하여 다수의 태양전지 셀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 플렉시블 태양전지 모듈은 기판상에 레이저 패턴 장치를 사용하여 소정의 간격으로 형성된 ITO 스트립 패턴 및 상기 스트립 패턴을 이용하여 형성된 다수의 태양전지 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플렉시블 태양전지 모듈 및 그 제조 방법 에 의하면, 제조 비용을 저감하여 생산단가를 저렴하게 할 수 있고, 롤 투 롤(roll to roll) 시스템의 적용이 용이하며, 박막 봉지 기술의 적용이 가능하다는 효과가 얻어진다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.

본 발명에서는 태양전지의 모듈을 구성하기 위해서 필요한 단위 셀의 제작을 위하여 기존에 사용되어 지는 투명 전극의 패턴을 위한 노광 장치를 사용하는 공정, 금속 박막의 증착을 위해서 사용되는 마스크, 박막 봉지 진행시 발생하는 에지 실(edge seal)의 문제 해결을 함으로서 원가 절감 구현한다.

유기 태양전지는 고분자의 물질을 사용함으로써, 기본적으로 플렉시블 소자의 구현이 용이하나 기존의 태양전지 모듈구조에서는 마스크의 사용, 노광 장치를 이용한 패턴 공정, 박막 봉지 공정 적용 어려움으로 불가능 하였지만, 본 발명의 적용으로 롤 투 롤 플렉시블 기판 사용 연속 공정이 가능하다.

또한 본 발명에 적용되는 모든 패턴 형성방법으로 레이저 제거(laser ablation) 방법을 사용한다.

그리고 이러한 레이저 제거 방법의 적용을 위해, 즉 패턴 부분으로 공정을 위하여 수지(Resin)를 베이스로 하고, 유기 박막 패턴이 진행되므로 레이저에 의한 기판 손상을 막을 수 있다.

또한 본 발명에서는 특정 부분만을 박막 봉지 하기 위하여 레이저 패턴형성 방법을 사용하는 경우에는 에지 실의 형성이 어렵다.

그러나 본 발명에서는 수지 계열의 물질을 사용하여 경계면을 우선 형성하고, 다음 패턴(pattern) 공정으로 진행함으로서 에지 실의 형성이 가능하다.

이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 플렉시블 태양전지의 구조를 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플렉시블 태양전지 셀은 기판상에 TCO 애노드 전극이 형성되고, 이 애노드 전극 상에 HLT 층과 광활성 층(Photoactive Layer)이 순차 적층되며, HLT층과 광활성 층의 측면에는 제1의 블록 층이 형성되며, HLT층과 광활성 층의 상측에 캐소드 전극이 형성되며, 애노드 전극과 캐소드 전극을 태양전지에 전기적으로 연결하는 것에 의해 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 플렉시블 태양전지 셀은 상기 HLT 층, 광활성 층과 캐소드 전극에 대해 패시베이션(Passivation)이 마련되고, 상기 패시베이션 상에 보호(Protective)층이 형성되며, 상기 제1의 블록 층, 패시베이션 및 보호층에 제2의 블록 층이 형성된 구조를 갖는다. 본 발명에 따른 구조에서는 도 3에 도시된 구조에 한정되는 것은 아니며, 역의 구조로 형성할 수 있음은 물론이다.

도 3에 도시된 구조에서는 태양광이 상기 기판을 통해 조사되면, 상기 태양전지에 전력이 축적되게 된다.

다음에, 도 4 내지 도 12에 따라 도 3에 도시된 플렉시블 태양전지를 형성하기 위한 각각의 공정을 설명한다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판상에 레이저 패턴 장치(Laser Pattern Machine)를 사용하여 소정의 간격으로 ITO 스트립 패턴(Stripe Pattern)을 형성한다.

다음에, 도 5에 도시된 바와 같이, 디스펜스 시스템(Dispensing System)을 사용하여 Ag 페이스(Paste) 및 커링(Curing)을 실시한다

계속하여 도 6에 도시된 바와 같이, 디스펜스 시스템을 사용하여 UV/열 수지 절연체(Thermal Resin Insulator)룰 코팅한다.

그 후 도 7에 도시된 바와 같이, 슬릿/슬롯 다이 코팅(Slit/Slot Die Coating) 시스템을 사용하여 UV 열처리, 코팅, 커링한다. 이때 조건은 그로브 박스(Glove Box)로서 상온의 H₂O, O₂의 조건에서 실행된다.

다음에 도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 패턴 장치를 사용하여 유기 패턴(Organic Pattern)을 형성한다. 이에 의해 기판상의 손상이 자유롭게 된다.

그 후 도 9에 도시된 바와 같이, 캐소드 전극을 형성하기 위해 스퍼터(Sputter) 장치를 사용하여 캐소드를 퇴적시킨다.

계속해서 도 10에 도시된 바와 같이, 레이저 패턴 장치를 사용하여 캐소드 패턴을 형성한다. 이때 도 11에 도시된 바와 같이, 캐소드 전극용 스퍼터로서 SiNx/SiO₂를 적용한다.

그 후 도 12에 도시된 바와 같이, 레이저 패턴 장치를 사용하여 전극(Electrode) EBR을 형성한다. 또한 애노드, SiNx/AL/유기층의 제거를 위해 패턴의 위치맞춤이 필요하다.

그 후 도 13에 도시된 바와 같이, 디스펜스 시스템을 사용하여 블록 패턴(Block Pattern)을 디스펜싱(Dispensing) 한다. 이때의 환경 조건은 상술한 그로브 박스의 조건이다. 즉 커링 수지(블록)를 위해 UV 램프/가열 스테이지에서 실행한다.

다음에 도 14에 도시된 바와 같이, 디스펜스 시스템을 사용하여 습식 코팅(Wet Coating)을 실행하고, 도 15에 도시된 바와 같이, 보호막 라미네이터(Protective Film Laminator)를 사용하여 보호막을 적층한다. 이때의 분의기는 공기 중이다.

그 후 도 16에 도시된 바와 같이, 단위 셀을 구비한 태양전지 모듈이 완성된다.

또한 본 발명에 사용되는 레이저는 CO₂ 레이저를 사용한다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 태양 발전에 사용되는 플렉시블한 태양전지 모듈 및 그 제조 방법에 이용된다.

도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리를 설명하는 도면,

도 2는 종래의 플라스틱 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 플렉시블 태양전지의 구조를 나타내는 도면,

도 4 내지 도 12는 도 3에 도시된 플렉시블 태양전지를 형성하기 위한 각각의 공정을 나타내는 도면.

Claims (2)

1. 기판상에 레이저 패턴 장치를 사용하여 소정의 간격으로 ITO 스트립 패턴을 형성하는 단계 및

   상기 스트립 패턴을 이용하여 다수의 태양전지 셀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 태양전지 모듈의 제조 방법.
2. 기판상에 레이저 패턴 장치를 사용하여 소정의 간격으로 형성된 ITO 스트립 패턴 및

   상기 스트립 패턴을 이용하여 형성된 다수의 태양전지 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 태양전지 모듈.

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