KR20130051765A - 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법 - Google Patents

적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법 Download PDF

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한강수
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Abstract

본 발명은 요부 및 철부를 구비한 몰드의 요부를 채우도록 금속 나노잉크 용액을 상기 몰드 상에 도포하는 단계; 상기 금속 나노 잉크층 상에 기판을 적층한 뒤 가압 가열하는 단계; 금속 나노패턴이 형성된 기판과 몰드를 분리하는 단계; 및 상기 금속 나노패턴이 형성된 기판을 열처리하는 단계;를 포함하는 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법에 관한 것이다.

Description

적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법{Method for Manufacturing Back Contact of Layered Thin Film Solar Cell}
본 발명은 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직접 패터닝(direct patterning) 공정으로 후면전극에 나노패턴을 형성함으로써 태양전지의 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법에 관한 것이다.
최근에는 석유, 석탄을 비롯한 기존 에너지원의 가격상승과 지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소 배출 규제 등과 같은 에너지, 환경문제가 전 세계적인 문제로 부각됨에 따라 태양 에너지는 가장 유망한 재생에너지 기술의 하나로 주목받고 있다. 현재는 우주용 등의 특수분야를 비롯하여 전기, 전자 제품, 주택이나 건물의 전기 공급, 그리고 산업 발전에 이르기까지 다양한 분야에 적용되고 있다. 태양전지는 일반적으로 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 태양전지는 결정질 (단, 다결정) 기판형 태양전지와 박막형 (비정질, 다결정) 태양전지로 구분할 수 있다. 하지만 결정질 실리콘 태양전지의 경우 그 제조공정의 복잡함에 의해 높은 제조 원가로 기존의 발전방식에 비해 3~10 배까지 비싸다. 따라서 고가의 실리콘 기판 대신 유리, 금속, 플라스틱과 같은 저가 기판 위에 박막 형태로 태양전지를 제조하여 물질 소모량을 최소화한 박막 태양전지에 대한 개발 필요성이 크게 요구되고 있다. 박막 태양전지는 기존의 반도체, 디스플레이에서 사용되는 유사 기술을 이용하여 대면적, 대량생산이 가능하므로 생산성 향상 및 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 장점도 가지고 있다. 대한민국공개특허 2011-0064282에는 이러한 목적으로 제조된 박막형 태양전지를 공개하였다.
그러나, 일반적인 적층형 박막 태양전지의 경우 태양광이 후면전극층에서 전반사 되어 태양전지 내부에 오래 머물지 못하고 곧바로 외부로 방출되는 경우가 다수 존재하여 태양전지 효율의 저하를 발생시켰다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 대한민국공개특허공보 10-2010-0080304에는 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 오프셋 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 플렉소 프린팅, 또는 마이크로 콘택 프린팅 방법을 이용하여 후면전극에 소정 패턴을 형성함을 공개하였으나, 제조시 공정이 복잡하고 고가의 장비가 필요한 문제점이 있다.
이와 같은 기술적 배경 하에서, 본 발명자들은 상술한 종래 기술상의 문제점을 해결하고 기존의 복잡한 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법을 대체할 수 있는 공정을 개발하고자 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
결국, 본 발명의 목적은 직접 패터닝(direct patterning) 공정을 이용한 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 요부 및 철부를 구비한 몰드의 요부를 채우도록 금속 나노잉크 용액을 상기 몰드 상에 도포하는 단계; 상기 몰드 상에 기판을 적층한 뒤 가압 가열하는 단계; 금속 나노패턴이 형성된 기판과 몰드를 분리하는 단계; 및 상기 금속 나노패턴이 형성된 기판을 열처리하는 단계;를 포함하는 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법이 제공된다.
본 발명에 따른 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 금속은 은(Ag)일 수 있다.
본 발명에 따른 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노패턴이 형성된 기판을 열처리하는 단계는 공기 중에서 200 내지 400℃의 온도 범위로 열처리할 수 있다.
본 발명에 따른 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노패턴의 크기는 수 백 nm 내지 수 um 일 수 있다.
본 발명의 직접 패터닝 공정은 기존의 임프린팅 방식의 역구조를 취함으로써 몰드에 잉크를 미리 채운 뒤 기판에 이를 전사함으로써 유동성 증가로 인해 보다 밀집된 패턴을 구현할 수 있다.
또한, 기존 공정보다 낮은 온도에서 열처리함으로써 보다 규칙적인 나노패턴 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 직접 패터닝 공정을 나타낸다.
도 2는 금속 나노패턴이 형성된 기판의 열처리 온도에 따른 비저항을 나타내는 그래프이다.
도 3은 몰드가 분리되어 기판상에 형성된 금속 나노패턴의 SEM 이미지이다.
도 4는 열처리 후 기판상에 형성된 금속 나노패턴의 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 직접 패터닝 공정에 따라 제조된 다양한 패턴의 SEM 이미지이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서는 요부 및 철부를 구비한 몰드의 요부를 채우도록 금속 나노잉크 용액을 상기 몰드 상에 도포하는 단계; 상기 몰드 상에 기판을 적층한 뒤 가압 가열하는 단계; 금속 나노패턴이 형성된 기판과 몰드를 분리하는 단계; 및 상기 금속 나노패턴이 형성된 기판을 열처리하는 단계;를 포함하는 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법이 제공된다. 하기에서 각 단계에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 몰드는 요부와 철부를 구비한 형상이며, 상기 몰드의 양 및 크기에 따라 형태와 두께가 다른 패턴들을 기판에 형성할 수 있다. 몰드는 백플레이트(back plate) 상에 형성될 수 있다. 바람직하게는 몰드를 지지하는 역할을 할 수 있는 고분자 필름을 백플레이트와 몰드 상에 형성할 수 있다. 고분자 필름으로는 PET 필름이 사용될 수 있다.
요부 및 철부를 구비한 몰드의 요부를 채우도록 금속 나노잉크 용액을 상기 몰드 상에 도포하는 단계 에서는 스핀코팅에 의해 몰드의 요부를 금속 나노잉크 용액으로 완전히 채운다. 또한, 스핀코팅의 rpm에 따라 몰드의 요부를 채우고 남은 금속 나노잉크 용액이 철부 상에 잔여층으로 존재할 수 있으나, 바람직하게는 잔여층이 형성되지 않는다.
상기 몰드는 용액 패터닝 (solution patterning)이 가능한 몰드이면 모두 사용이 가능하며, 바람직하게는 용액 제어가 용이한 PDMS 몰드일 수 있다. 상기 금속은 바람직하게는 은(Ag)이다.
상기 금속 나노잉크 용액은 금속 나노잉크와 용매를 혼합하여 제조될 수 있다. 용매의 첨가비율에 따라 금속 나노잉크의 점도가 변화될 수 있다. 금속 나노잉크 용액의 금속 나노잉크의 농도는 5% 내지 100%일 수 있다.
이후, 몰드 상에 기판을 적층한 뒤 가압 가열한다. 가압은 대기압(1.013 bar) 내지 20 bar의 범위, 가열은 250 내지 300℃의 범위로 수행될 수 있다. 또한, 가열은 공기, 진공 또는 질소 분위기 하에서 수행될 수 있다. 기판으로는 기판에 200 내지 300℃의 열처리가 가능한 기판이라면 모두 가능하다.
그 다음, 금속 나노패턴이 형성된 기판과 몰드를 분리한다. 도 3에는 몰드가 분리되어 기판상에 형성된 금속 나노패턴의 SEM 이미지를 나타내었다.
상기 금속 나노패턴이 형성된 기판을 열처리하는 단계에서는 금속 나노패턴이 형성된 기판을 공기 중에서 200 내지 400℃의 온도로 열처리한다. 도 4에는 열처리 후 기판상에 형성된 금속 나노패턴의 SEM 이미지를 나타내었다. 도 3과 도 4를 비교해보면, 도 4의 경우 열처리를 통해 용매가 제거되어 금속 나노패턴의 직경이 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, 기존의 박막 태양전지의 후면전극의 열처리 온도보다 저온으로 열처리함으로써 보다 규칙적인 나노패턴을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노패턴의 크기는 수 백 nm 내지 수 um 일 수 있다. 또한, 본 발명의 금속 나노패턴은 디지털 패턴 또는 아날로그 패턴일 수 있다.
실시예
백플레이트에 PET 필름 및 PDMS 몰드를 순차적으로 적층한다. 은(Ag) 나노 입자 잉크 용액을 톨루엔과 1:1로 혼합하여 3000 rpm으로 30초간 PDMS 몰드 상에 스핀 코팅으로 몰드의 요부에 은 나노입자 잉크 용액을 도포한다. 은 나노입자 잉크층 상에 기판을 적층한 뒤 5 bar의 압력으로 5분간 가압하고 100℃에서 15분간 가열하였다. 이후 기판에서 몰드를 제거한 뒤 은(Ag) 나노입자 패턴이 형성된 기판을 공기 중에서 300℃로 30분간 열처리하였다. 도 3a 및 4a를 비교해 보면 패턴이 형성된 기판을 공기 중에서 열처리함으로써 패턴에 존재하는 톨루엔을 제거하여 패턴의 직경이 210 nm 에서 200 nm로 감소된 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 직접 패터닝 공정은 기존의 임프린팅 방식의 역구조를 취함으로써 몰드에 잉크를 미리 채운 뒤 기판에 이를 전사함으로써 유동성 증가로 인해 보다 밀집된 패턴을 구현할 수 있으며, 기존 공정보다 낮은 온도에서 열처리함으로써 보다 규칙적인 나노패턴 구현이 가능하다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 요부 및 철부를 구비한 몰드의 요부를 채우도록 금속 나노잉크 용액을 상기 몰드 상에 도포하는 단계;
    상기 몰드 상에 기판을 적층한 뒤 가압 가열하는 단계;
    금속 나노패턴이 형성된 기판과 몰드를 분리하는 단계; 및
    상기 금속 나노패턴이 형성된 기판을 열처리하는 단계;
    를 포함하는 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 은(Ag)인 것을 특징으로 하는 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노패턴이 형성된 기판을 열처리하는 단계는 공기 중에서 200 내지 400℃의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노패턴의 크기는 수 백 nm 내지 수 um인 것을 특징으로 하는 적층형 박막 태양전지의 후면전극 패턴 형성방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111141427A (zh) * 2019-12-20 2020-05-12 兰州大学 一种可穿戴透明柔性薄膜型应变传感器的制备方法

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