KR20120123990A - Ｔｉ-Ｉｎ-Ｚｎ-Ｏ 투명전극 및 이를 이용한 금속 삽입형 3층 구조 고전도도 투명전극과 이의 제조방법 - Google Patents

Ｔｉ-Ｉｎ-Ｚｎ-Ｏ 투명전극 및 이를 이용한 금속 삽입형 3층 구조 고전도도 투명전극과 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플렉시블 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 높은 증착 온도를 가진 FTO(Fluorine doped tin oxide) 및 ITO(Indium-tin oxide) 투명전극에 비하여, 상온 혹은 저온에서 증착함에도 불구하고, 낮은 면 저항, 높은 전도도 및 투과도, 외부 구부림에 대한 우수한 저항성 및 개선된 계면특성과 향상된 표면 거칠기 성능을 갖는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극 제조방법과 이의 제조방법 및 이를 이용한 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극과 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

Ｔｉ-Ｉｎ-Ｚｎ-Ｏ 투명전극 및 이를 이용한 금속 삽입형 3층 구조 고전도도 투명전극과 이의 제조방법 {A Ti-In-Zn-O TCO and its based metal-inserted 3-layered TCO, their fabricating method}
본 발명은 플렉시블 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 높은 증착 온도를 가진 FTO(Fluorine doped tin oxide) 및 ITO(Indium-tin oxide) 투명전극에 비하여, 상온 혹은 저온에서 증착함에도 불구하고, 낮은 면 저항, 높은 전도도 및 투과도, 외부 구부림에 대한 우수한 저항성 및 개선된 계면특성과 향상된 표면 거칠기 성능을 갖는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극 제조방법과 이의 제조방법 및 이를 이용한 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극과 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 염료감응형 태양전지는 염료의 태양 광 흡수 능력을 이용하여 화학적으로 발전을 일으키는 태양전지의 일종으로서, 300nm 내지 2,500nm 범위의 파장을 가지는 태양 광 중 대략 400nm 내지 800nm 범위의 파장을 흡수하여 발전한다.
도 1은 종래의 염료 감응형 태양전지의 개략적 구조를 보여주는 단면 구성도로서, 통상의 염료 감응형 태양전지는 크게, 투명한 유리기판에 금속산화물과 염료가 포함된 광전극(음극부), 전해질, 그리고 상대전극(양극부) 등으로 구성되어 있다.
상기 다공질 막의 형태로 존재하는 광 전극은, TiO2, ZnO, SnO2와 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 전이금속산화물 반도체로 구성되고, 이 표면에 단 분자 층의 염료가 흡착되어 있다. 태양광이 태양 전지에 입사되면 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기 된다. 이때, 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈자리는 전해질 속의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 상대전극으로 이동하여 전자를 제공받게 된다.
양극의 상대전극은 전해질 속에 있는 이온의 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화 환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
염료 감응형 태양전지에서는 에너지 변환 효율을 개선 시키기 위하여 촉매 작용이 우수한 백금 박막을 주로 사용하고 있으며 백금과 특성이 비슷한 팔라듐, 은, 금 등의 귀금속과 카본 블랙, 그라파이트와 같은 탄소계 전극을 사용하기도 한다.
한편, 상술한 투명한 유리기판은 태양에너지 흡수를 가능케 하면서 외부회로로 전자를 전달하는 것으로 통상적으로 투명 전도성 산화막(투명 도전성막)(Transparent Conducting Oxide, TCO)으로 마련된다. 이는 태양광이 입사하여 전자와 정공(hole)을 내는 광흡수층 위에 전극을 덮어 주어야 하기 때문에 전극이 빛을 차단하면 기능을 발휘할 수 없거나 효율이 떨어지기 때문에 상기의 투명 전도성 산화막(TCO)을 사용하는 것이다.
특히, 투명 전도성 산화막(TCO)으로는 FTO(Fluoride doped Tin Oxide, Sn(F)O2) 전극을 주로 사용한다.
하지만, 이러한 FTO 박막을 증착하기 위하여 대면적의 화학기상증착장치와 같은 고가의 장비에 의해 제조되어, 복잡한 공정과 이에 따른 제작 비용의 증가에 대한 문제점이 있었으며, 원천 물질 특허가 일본의 유수 기업 및 대학에 있어서, 현재는 전량 수입되고 있는 실정이다.
FTO 박막 위에 스크린 프린팅 방법으로 도포된 TiO2 나노(nano) 입자로 구성된 다공질 막은 나노입자 특성상 입자 내부 및 표면에 많은 결함을 포함하여 전자의 산란과 전자-공공의 재결합에 의한 전자 이동도 및 전자수명이 감소하여 전자전도도가 낮아 효율이 떨어지는 단점이 있다.
또한, FTO의 경우, FTO 위에 코팅되는 Ti:Dye 층과의 계면 특성이 좋지 않아, 태양전지 효율 및 flexible 염료감응 태양전지의 구부림 시, TCO와 광흡수층이 쉽게 박리되는 문제가 발생하고 있다.
이에, FTO를 대체할 수 있을 정도의 높은 투과도, 면저항 값을 가지며, 플라스틱 기판이 견딜 수 있을 정도의 상온 증착 혹은 저온 증착이 가능하며, 부가적으로 Ti:Dye 층과의 계면 특성을 향상시킬 수 있는 새로운 flexible 염료감응형 태양전지용 투명전극의 필요성이 대두 되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로, 먼저, 플렉시블(flexible)한 기판에 적용 가능하여 외부 구부림에 대한 저항성을 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법의 제공을 일 목적으로 한다.
또한, 상온 또는 저온에서 증착됨에도 불구하고 낮은 면 저항, 높은 전도도 및 투과도를 갖는 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법의 제공을 다른 목적으로 한다.
아울러, Ti:Dye 층 및 전해질과의 계면특성 및 소자 안정성, 표면 거칠기 성능이 향상된 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법의 제공을 또 다른 목적으로 한다.
또한, FTO 및 ITO에 비하여, 그 면저항이 더 낮은. 즉 매우 높은 전기전도도를 갖는 금속 삽입형 3층구조 TCO/metal/TCO 투명전극 및 이의 제조방법의 제공을 또다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술된 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 플렉시블 투명기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판상에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하거나 Ti-In-Zn-O 단일 타겟을 이용하여 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극의 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 투명기판은 폴리에테르술폰(PES:polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR:polyacrylate), 폴리에테르이미드(PEI:polyetherimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN:polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리아미드(PI:polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate:CAP)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 투명기판은 함습률을 낮추기 위해 일정온도로 열처리 되며, 상기 박막을 형성하는 단계는 RF/DC magnetron 방식의 sputter를 이용한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 박막을 형성하는 단계는
온도 : 실온,
gas flow(sccm) : Ar - 24.8, O2 - 0.2,
공정 power(W) : Ti - 100, IZO - 200,
공정압력(Pa) : 0.17,
Dts(mm) : 150
과 같은 공정조건을 포함하여 조절가능한 온도조건, 가스량 및 비, 공정 파워, 공정 압력, Dts 에서 수행 가능하다. 여기서, Ti-In-Zn-O 투명전극을 증착하기 위한 스퍼터링 공정조건으로는 상온에서 250oC 사이의 온도변화, 다양한 Ar/O2 가스비, RF 및 DC 스퍼터링 power, chamer 내에 인가되는 가스의 공정압력 변화, 스퍼터링 타겟 및 기판과의 거리 조절 등의 조건이 있다.
또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극에 포함된 Ti-In-Zn-O 박막의 공정조건에 따라 변화하는 산소를 제외한 구성 금속원소의 조성비가 Ti 8at%, In 76at%, Zn 16at%에서 최소의 면저항을 갖는다.
또한, 본 발명은 투명기판을 준비하는 단계; 상기 투명기판상에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하거나 Ti-In-Zn-O 단일 타겟을 이용하여 제1 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계; 상기 제1 제1 Ti-In-Zn-O 박막 상부에 금속 박막을 형성하는 단계; 및 상기 금속 박막의 상부에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하거나 Ti-In-Zn-O 단일 타겟을 이용하여 제2 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극의 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 투명기판은 유리기판, 폴리에테르술폰(PES:polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR:polyacrylate), 폴리에테르이미드(PEI:polyetherimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN:polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리아미드(PI:polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate:CAP)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속 박막은 Ag, Cu, Al, Au 등을 포함하는 고전도도 금속그룹에서 선택된 금속으로 이루어지며, 상기 제1 Ti-In-Zn-O 박막, 제2 Ti-In-Zn-O 박막 및 금속 박막은 RF/DC magnetron 방식의 sputter를 이용한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 각각의 박막을 형성하는 단계는
<제1 Ti-In-Zn-O박막 및 제2 Ti-In-Zn-O박막>
온도 : 실온, gas flow(sccm) : Ar - 24.8, O2 - 0.2, 공정 power(W) : Ti - 100, IZO - 200, 공정압력(Pa) : 0.17,Dts(mm) : 150
<금속박막>
온도 : 실온, gas flow(sccm) : Ar - 20, 공정 power(W) : 고전도금속 - 100, 공정압력(Pa) : 0.14,Dts(mm) : 150
과 같은 공정조건을 포함하여 조절 가능한 온도조건, 가스량 및 비, 공정 파워, 공정 압력, Dts 에서 수행 가능하다.
또한, 본 발명은 상술된 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극을 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 본 발명에 의하면 플렉시블(flexible)한 기판에 적용가능하여 외부 구부림에 대한 저항성을 향상시킬 수 있는 투명전극을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 상온 또는 저온에서 증착됨에도 불구하고 낮은 면 저항, 높은 전도도 및 투과도를 갖고, 스퍼터링 공정을 적용, 양산적용이 용이한 염료감응형 태양전지용 투명전극을 생산할 수 있다.
아울러, 본 발명에 의하면 Ti:Dye 층 및 전해질과의 계면특성 및 소자 안정성, 표면 거칠기 성능이 향상된 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법의 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 종래의 FTO 및 ITO에 비하여, 그 면저항이 더 낮은 즉 매우 높은 전기전도도를 갖는 금속 삽입형 3층구조 Ti-In-Zn-O/metal/ Ti-In-Zn-O 투명전극을 생산할 수 있다.
도 1 은 종래의 염료 감응형 태양전지의 개략적 구조를 보여주는 단면 구성도다.
도 2 는 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 플렉시블 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 금속삽입형 3층구조 투명전극의 제조방법에 대한 전체 공정도다.
도 3 은 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막 형성을 위한 증착 공정의 개략도다.
도 4 는 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 Ti 함량에 따른 면 저항변화를 나타낸 그래프다.
도 5a 는 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 가시광선 영역 대의 광학적 특성을 보여주는 그래프다.
도 5b 는 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 자외선-가시광선-적외선 영역 대의 광학적 특성을 보여주는 그래프다.
도 6 은 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti 함량에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 RMS 값을 보여주는 그래프다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 Ti 함량에 따른 XRD 데이터를 보여주는 그래프다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O/금속 박막(Ag)/Ti-In-Zn-O 3층 구조 투명전극의 모식도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O/금속 박막(Ag)/Ti-In-Zn-O 3층 구조 박막의 면 저항 및 투과도를 나타내는 그래프다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 플렉시블 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 금속삽입형 3층구조 투명전극의 제조방법에 대한 전체 공정도다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 플렉시블 염료감응형 태양전지용 투명전극의 제조방법은 플렉시블 투명기판을 준비하는 단계(S100) 및 상기 기판상에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하여 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계(S200), 본 발명의 다른 실시예인 전기적 특성이 매우 우수한 초고전도도 Ti-In-Zn-O/Ag 혹은 Cu/Ti-In-Zn-O 3층구조 투명전극을 제조하는 단계(S300)를 포함한다.
한편, 상기 플렉시블(flexible) 투명기판을 준비하는 단계(S100)는 유연성을 갖는 다양한 투명기판을 이용할 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 폴리에테르술폰(PES:polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR:polyacrylate), 폴리에테르이미드(PEI:polyetherimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN:polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리아미드(PI:polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate:CAP)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용하였다.
그러나 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 있어서는 상기 투명기판들 중 폴리에테르술폰(PES:polyethersulphone)을 이용하였다.
한편, 플렉시블한 상기 투명기판은 함습률을 낮추기 위해 일정온도로 열처리 되는데, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 오븐에서 60℃로 30분 ? 60분 열처리하여 함습률을 낮추었다.
물론, 상기 방법 외에 함습률을 낮추기 위한 다양한 방법이 사용될 수 있음은 물론이다.
다음으로 상기 기판상에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하여 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계(S200)로, 다양한 증착 방식으로 상기 Ti-In-Zn-O 박막을 형성할 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 RF/DC magnetron 방식의 sputter를 이용하여 Ti 및 IZO를 동시에 증착하였다.
이에 대해 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막 형성을 위한 증착 공정의 개략도인 도 3을 참조하여 상세히 설명하면, 먼저 제1 타겟으로 사용될 IZO를 상기 투명기판과 일정거리가 유지되도록 위치시키고, 제2 타겟으로 사용될 Ti를 상기 제1 타겟과 대향되고 상기 투명기판과 일정거리가 유지되도록 위치시킨다.
이때, 상기 IZO는 다양한 조성비로 이루어질 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 In2O3 90wt% 및 ZnO 10wt%의 조성비를 갖는다.
한편, 상기 투명기판상에는 상기 투명기판이 완전히 노출되지 않도록 하기 위하여 일정간격의 마스크(mask)가 복 수개 형성되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 상기 투명기판이 총 11개소가 노출되도록 상기 마스크를 형성하였다.
이후, 상기 RF magnetron 방식의 Combinatorial sputter를 이용하여 Ti 및 IZO를 동시에 증착하게 되면, 상기 투명기판의 노출부부분인 ① ~ ⑪은 상기 Ti 및 IZO의 조성이 각각 다른 Ti-In-Zn-O 박막이 형성된다.
즉, ①에서 ⑪쪽으로 갈수록 Ti 함량이 증가하게 되며, 반대로 In 함량이 감소된 조성비를 갖는 11개의 Ti-In-Zn-O 박막이 형성된다.
이와 관련하여 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 11개의 Ti-In-Zn-O 박막의 조성비는 아래 [표 1]과 같다.
Figure pat00001
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 박막을 형성하는 단계(S200)는 다양한 공정 조건하에서 이루어질 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 온도 상승없이 상온 또는 저온에서 수행하였으며, 고진공(Low 10-6Pa) 상태에서 박막을 형성하였다. 실제로 최소의 면저항을 나타내는 Ti-In-Zn-O 조성비는 공정조건에 따라서 변화하는 산소를 제외하고, 구성 금속원소의 조성비는, Ti 8at%, In 76at%, Zn 16at%의 조성비에서 최소의 면저항을 나타냈다 [도 4 참조].
아울러, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 박막 형성 조건을 아래 [표 2]에 정리하였다.
구분 온도
gas flow(sccm)
공정 power(W)
 공정압력(Pa) Dts(mm)
Ti-In-Zn-O 실온 Ar O2 Ti IZO 0.17 150
24.8 0.2 100 200
이때, 상기 [표 2]의 Dts는 상기 투명기판과 제1 및 제2 타겟과의 거리를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제조된 Ti-In-Zn-O 박막을 이용하여 금속삽입형 3층구조형 플렉시블 염료감응형 태양전지용 투명전극의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기적 특성이 매우 우수한 초고전도도 Ti-In-Zn-O/Ag 혹은 Cu/Ti-In-Zn-O 3층구조 투명전극의 제조방법은 투명기판을 준비하는 단계, 상기 투명기판상에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하여 제1 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계, 상기 제1 Ti-In-Zn-O 박막 상부에 Au 및 Cu 등의 금속 박막을 형성하는 단계 및 상기 금속막의 상부에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하여 제2 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 투명기판은 다양한 투명기판을 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 유리기판, 폴리에테르술폰(PES:polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR:polyacrylate), 폴리에테르이미드(PEI:polyetherimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN:polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리아미드(PI:polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate:CAP)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용하였다.
아울러 상기 투명기판은 본 발명의 일실시 예에서 설명한 함습률을 낮추기 위한 열처리 공정을 포함할 수 있다.
그리고 상기 제1 및 제2 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계는 본 발명의 일실시 예에서 설명한 바와 동일하다. 그러나, 금속박막이 삽입된 고전도도 투명전극의 경우, 태양전지용 투명전극으로 이용될 수 있도록, Ag 및 Cu 등의 금속이 삽입된 3층구조 투명전극의 총 두께가 상기 제1 및 제2 Ti-In-Zn-O 박막 및 삽입되는 금속의 두께를 포함하여, 150 ? 300nm 두께 사이에서 최적화 될 수 있도록 투명전극을 제조해야 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상기 금속 박막을 형성하는 단계는 다양한 방식으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 RF magnetron 방식의 Combinatorial sputter를 이용하였다.
이때 상기 금속은 Al, Au 등의 다양한 금속을 이용하여 박막을 형성할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 Ag 또는 Cu를 이용하여 상기 금속 박막을 형성하였다. 특히, 이러한 Ag 또는 Cu 등의 얇은 금속 박막은 산화물 투명전극 사이에 삽입, 금속 특유의 연성을 증가시켜, 외부 스트레스에 의한 기판 구부림시, 투명전극의 구부림에 대한 저항성을 증가시켜주는 역할을 수행한다.
한편, 상기 박막들을 형성하기 위한 공정 조건을 아래 [표 3]에 정리하였다.

구분
온도
gas flow(sccm)
 공정 power(W)
공정압력(Pa)
Dts(mm)
Ar O2 Ti IZO

제1 Ti-In-Zn-O박막
실온		 24.8 0.2 100 200 0.17 150

Ag 박막
실온
20
Ag
0.14
150
100

제2 Ti-In-Zn-O박막
 실온 24.8 0.2 100 200 0.17 150
이때, 상기 [표 3]의 Dts는 상술한 바와 동일하다.
아울러, 3층구조 투명전극 박막들의 두께에 대해서는 일반적인 태양전지용 투명전극의 두께 허용치인 각각 최대 300nm 이하에서 조절되어야 하며, 본 발명의 바람직할 실시 예에 있어서는 상기 제1 Ti-In-Zn-O 박막은 100nm, 상기 제2 Ti-In-Zn-O 박막은 32nm 그리고 상기 금속 박막은 12nm의 두께로 형성하였다. 고전도도 3층구조 투명전극의 총 두께의 바람직한 실시예는 150nm이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 효과에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 Ti 함량에 따른 면 저항변화를 나타낸 그래프다.
도 4를 참조하면, Ti가 많이 함유될수록 값비싼 In소모량을 줄여줄 수 있지만 저항이 높아지는 경향을 보이고 있으며, Ti가 8at% 정도일 때 면 저항이 가장 낮은 수치(19ohm/sq)를 보여주기 때문에 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 상기 투명기판상에 Ti-In-Zn-O박막 형성시 8 at% Ti 함량을 갖도록 하였다. 실험결과, Ti-In-Zn-O의 경우, 공정조건에 따라서 변화하는 산소를 제외한 구성 금속원소의 조성비는 실험 결과 상, Ti 8at%, In 76at%, Zn 16at%의 조성비에서 최소의 면저항을 가지는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 투명전극의 제조가 가능하였다.
한편, 도 5a 는 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 가시광선영역 대의 광학적 특성을 보여주는 그래프이며, 도 5b 는 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 자외선-가시광선-적외선 영역 대의 광학적 특성을 보여주는 그래프다.
일반적인 태양전지의 경우, 태양 광이 입사될 때 높은 투과도를 요구하고 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 경우, 도 5a 및 5b에서 알 수 있듯이 가시광 및 근적외선 영역 대에서 80%이상의 높은 투과도를 보이고 있으며, 특정 파장영역에서는 95% 이상의 고 투과도를 보이고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti 함량에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 표면거칠기 RRMS 값을 보여주는 그래프다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 Ti-In-Zn-O 박막은 Ti함량에 큰 영향 없이 2nm(RMS) 이하의 낮은 표면 거칠기를 나타내고 있으며, 이는 박막의 표면 거칠기가 상당히 편평한(flat) 상태임을 의미합니다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막의 Ti함량에 따른 XRD 데이터를 보여주는 그래프다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 Ti-In-Zn-O 박막은 조성비와 상관없이 전 샘플에 걸쳐 비정질 구조를 가지는 박막 특성을 보여주고 있다.
이는 상기 박막이 결정질 구조를 가지게 되면 외부 구부러짐에 대한 저항성이 낮아서 박막 내 crack 및 dislocation 등의 결함이 생기게 되나, 본 발명의 일실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O 박막은 비정질 구조로서, brittle 한 결정질 세라믹 박막에 비하여 구부러짐에 대한 향상된 저항성을 갖고 박막 내 크랙 또는 dislocation 등의 결함의 발생을 방지할 수 있는 우수한 효과가 있음을 나타낸다.
한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유리 기판 상에 Ti-In-Zn-O(100nm 두께)/Ag(12nm 두께)/Ti-In-Zn-O(37nm 두께) 3층 구조 박막의 모식도를 나타내는 그림이다.
도 9는 도 8을 이용하여 제조된 고전도도 3층구조 투명전극의 면저항 및 투과도을 나타내는 그래프이다.
참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 Ti-In-Zn-O/금속박막(Ag)/Ti-In-Zn-O 3중 구조 박막은 6.630ohm/sq의 낮은 면 저항을 보이고 있으며, 아울러 투과도에 있어서도 최고 90%에 가까운 높은 투과도를 보이고 있다.
결과적으로 본 발명의 실시 예들에 따른 플렉시블 염료감응형 태양전지용 투명전극은 기본적으로 Ti-In-Zn-O 박막이 비정질이며, Ag와 같은 얇은 금속박막을 삽입하여, 기판의 연성을 증가시키게 되어, 플렉시블(flexible)한 기판에 적용시, 외부구부림에 대한 저항성을 크게 향상시킬 수 있으며, 상온 또는 저온에서 증착됨에도 불구하고 높은 전도도 및 투과도를 갖고 비교적 저렴한 비용으로 염료감응형 태양전지용 투명전극을 생산할 수 있다.
그리고 투명전극에 Ti 을 함유하고 있어, 기존의 FTO 투명전극에 비하여, Ti:Dye 염료층 및 전해질과의 계면특성 및 부착력, 표면 거칠기 성능이 더욱 향상된 염료감응형 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법의 제공할 수 있는 효과가 있다.
아울러 기존의 ITO 및 FTO가 갖는 면 저항(15 ~ 25Ω/sq)에 비하여, 면 저항 8Ω/sq 이하를 갖는 우수한 효과가 있어 고효율 염료감응 태양전지 제조에 적합한 투명전극이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

Claims (13)

  1. 플렉시블 투명기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기판상에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하거나 Ti-In-Zn-O 단일 타겟을 이용하여 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명기판은 폴리에테르술폰(PES:polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR:polyacrylate), 폴리에테르이미드(PEI:polyetherimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN:polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리아미드(PI:polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate:CAP)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 투명기판은 함습률을 낮추기 위해 일정온도로 열처리 되는 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막을 형성하는 단계는 RF/DC magnetron 방식의 sputter를 이용하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 박막을 형성하는 단계는
    온도 : 실온,
    gas flow(sccm) : Ar - 24.8, O2 - 0.2,
    공정 power(W) : Ti - 100, IZO - 200,
    공정압력(Pa) : 0.17,
    Dts(mm) : 150
    과 같은 공정조건을 포함하여 조절가능한 온도조건, 가스량 및 비, 공정 파워, 공정 압력, Dts 에서 수행 가능한 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극에 포함된 Ti-In-Zn-O 박막의 공정조건에 따라 변화하는 산소를 제외한 구성 금속원소의 조성비가 Ti 8at%, In 76at%, Zn 16at%에서 최소의 면저항을 갖는 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 Ti-In-Zn-O 투명전극.
  8. 투명기판을 준비하는 단계;
    상기 투명기판상에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하거나 Ti-In-Zn-O 단일 타겟을 이용하여 제1 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계;
    상기 제1 제1 Ti-In-Zn-O 박막 상부에 금속 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 박막의 상부에 Ti 및 IZO를 동시에 증착하거나 Ti-In-Zn-O 단일 타겟을 이용하여 제2 Ti-In-Zn-O 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 투명기판은 유리기판, 폴리에테르술폰(PES:polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR:polyacrylate), 폴리에테르이미드(PEI:polyetherimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN:polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리아미드(PI:polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate:CAP)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속 박막은 Ag, Cu, Al, Au 를 포함하는 고전도도 금속그룹에서 선택된 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 제1 Ti-In-Zn-O 박막, 제2 제1 Ti-In-Zn-O 박막 및 금속 박막은 RF magnetron 방식의 sputter를 이용하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각각의 박막을 형성하는 단계는
    <제1 Ti-In-Zn-O박막 및 제2 Ti-In-Zn-O박막>
    온도 : 실온,
    gas flow(sccm) : Ar - 24.8, O2 - 0.2,
    공정 power(W) : Ti - 100, IZO - 200,
    공정압력(Pa) : 0.17,
    Dts(mm) : 150
    <금속박막>
    온도 : 실온,
    gas flow(sccm) : Ar - 20,
    공정 power(W) : 고전도금속 - 100,
    공정압력(Pa) : 0.14,
    Dts(mm) : 150
    과 같은 공정조건을 포함하여 조절 가능한 온도조건, 가스량 및 비, 공정 파워, 공정 압력, Dts 에서 수행 가능한 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극의 제조방법.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지용 금속 삽입형 3층 구조 고전도 투명전극.
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