KR20130114933A - Solar cell manufacturing method and the solar cell manufactured by the method - Google Patents
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Description
본 발명은 태양전지 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 태양전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 나노 임프린팅을 이용한 단순화된 공정을 이용하여 태양전지의 효율을 향상시키면서도, 대면적의 기판에 균일한 나노패턴을 형성할 수 있고, 제조비용을 저감하고 공정시간을 단축할 수 있는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell manufacturing method and a solar cell produced by the method. More specifically, the present invention can improve the efficiency of solar cells using a simplified process using nanoimprinting, and can form a uniform nanopattern on a large-area substrate, reduce manufacturing costs and shorten processing time. It relates to a solar cell manufacturing method that can be.
태양전지 반도체 소자는 석유와 같은 화석연료가 고갈되어 감에 따라서 대체에너지원으로 각광받고 있는 기술이다. 태양전지는 빛을 조사해 주기만 하면 구동하는 소자로서, 구동하기 위한 추가적인 에너지를 필요로 하지 않으며, 구동 중에 불필요하게 발생하는 환경오염 물질이 없다는 장점이 있기 때문에 그린에너지의 대표적인 사례가 될 것으로 기대되고 있다. 또한 환경/지리적인 제한이 상대적으로 적기 때문에 발전소가 들어서기 어려운 지역에 에너지를 공급하는 에너지 공급원으로서의 역할로 각광을 받고 있다. 태양전지가 갖는 미래의 산업/경제성 때문에 일본의 Q-Cells사, 일본의 Sharp사, 중국의 Suntech사, 미국의 First Solar사와 같은 해외기업들이 태양전지 산업에 전력을 집중하고 있으며, 현대중공업, STX와 같은 국내기업들과 삼성전자와 엘지전자와 같은 세계적인 국내 기업들도 태양전지 산업의 가능성을 높게 평가하여, 적극적으로 투자하고 있다. Solar cell semiconductor device is a technology that is spotlighted as an alternative energy source as fossil fuel such as petroleum is depleted. The solar cell is a device that drives only by irradiating light, and it is expected to be a representative example of green energy because it does not need additional energy to drive and there is no environmental pollutant that is not generated during driving. . In addition, due to the relatively small environmental / geographical restrictions, it is in the spotlight as a source of energy for supplying energy to areas where power plants are difficult to enter. Due to the future industry / economics of solar cells, overseas companies such as Japan's Q-Cells, Japan's Sharp, China's Suntech, and US First Solar are concentrating their efforts on the solar cell industry. Korean companies such as Samsung Electronics and global companies such as Samsung Electronics and LG Electronics are also actively investing in the solar cell industry.
이와 같이 태양전지가 미래의 대체에너지로 자리 잡기 위해서는 현재의 소자 효율을 보다 증가시켜 높은 광변환 효율을 가져야 한다. 광변환 효율을 증가시키는 방안으로는 광활성층에서 더 많은 빛을 흡수하여 집광효율을 증가시키는 방법이 있는데, 이를 위해서 두꺼운 광활성층을 사용하기도 한다. 하지만, 두꺼운 광활성층을 사용할 경우, 전하의 낮은 이동도 때문에 소자효율의 증가가 미미한 수준인 반면에 재료비는 비례해서 증가하기 때문에 비용대비 효율이 낮다는 문제점이 있다.As such, in order for a solar cell to become an alternative energy of the future, the current device efficiency should be increased to have a high light conversion efficiency. One way to increase the light conversion efficiency is to absorb more light in the photoactive layer to increase the light collection efficiency. To this end, a thick photoactive layer may be used. However, in the case of using a thick photoactive layer, the increase in device efficiency is insignificant due to the low mobility of the charge while the cost of the material is low because the material cost increases proportionally.
따라서 얇은 광활성층의 두께를 유지하면서 집광 효율을 증가하는 방법이 고안되어야 한다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 태양전지의 경우, 평면 구조의 기판 위에 박막들이 층을 이루면서 태양전지를 구성하고 있다. 이와 같은 2차원의 평평한 기판은 공기와 기판의 계면에서 반사되는 빛의 손실이 많으며, 기판을 투과한 빛이 광활성층을 이동하는 경로가 짧기 때문에 충분히 빛을 흡수하지 못하여 소자 효율이 낮고, 장기적인 측면에서 발전 비용이 더 높다는 문제점이 있다.Therefore, a method of increasing the light collection efficiency while maintaining the thickness of the thin photoactive layer should be devised. In the case of solar cells that are generally used today, thin films are layered on a planar substrate to form a solar cell. Such a two-dimensional flat substrate has a large loss of light reflected at the interface between air and the substrate, and because the light passing through the substrate has a short path through the photoactive layer, it does not absorb enough light, resulting in low device efficiency and long-term aspects. There is a problem in that the generation cost is higher.
이러한 2차원 기판구조의 단점을 극복하고 집광효율을 증가시키기 위해서, 나노사이즈의 구조체를 포함하는 3차원 기판을 이용하는 연구들이 진행되고 있다. 그 예로, 다양한 물질과 모양의 반사방지막 나노구조를 이용해서 공기와 태양전지 계면에서 반사로 손실되는 빛의 양을 줄이려는 시도와, 나노구조를 형성하여 입사된 빛의 산란을 유도해서 활성층에서 흡수하는 빛의 양을 증가시키려는 연구와 개발이 계속되고 있다. 하지만 위와 같은 방법들은 공정이 복잡하고, 내구성이 떨어지는 등 가격경쟁력에서 한계점을 갖고 있다.In order to overcome the shortcomings of the two-dimensional substrate structure and increase the light collecting efficiency, researches using a three-dimensional substrate including a nano-sized structure are in progress. For example, attempts to reduce the amount of light lost by reflection at the interface of air and solar cells using anti-reflection film nanostructures of various materials and shapes, and induce scattering of incident light by forming nanostructures to be absorbed in the active layer Research and development continue to increase the amount of light to be made. However, these methods have limitations in price competitiveness, such as complicated processes and low durability.
본 발명은 공기와 태양전지를 구성하는 기판의 계면에서의 반사 등으로 인한 광 손실을 줄이고, 광활성층을 지나는 광의 진행 경로를 늘려 광흡수 효율을 향상시킴으로써, 태양전지의 소자 효율을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.The present invention reduces the light loss due to reflection at the interface between the air and the substrate constituting the solar cell, and improves the light absorption efficiency by increasing the light propagation path through the photoactive layer, thereby improving the device efficiency of the solar cell. It is a task.
또한, 본 발명은 나노 임프린팅을 이용한 단순화된 공정으로 이용하여 대면적의 기판에 균일한 나노패턴을 형성할 수 있고, 제조비용을 저감하고 공정시간을 단축할 수 있는 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.In addition, the present invention can be used in a simplified process using nano-imprinting to form a uniform nano-pattern on a large area of the substrate, to provide a solar cell manufacturing method that can reduce the manufacturing cost and shorten the process time Let it be technical problem.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 제조방법은 입사되는 광의 흡수효율을 높이기 위한 나노패턴을 나노 임프린팅 방식을 이용하여 기판의 일면에 형성하는 나노패턴 형성단계, 상기 기판의 타면 상에 투명 전극을 형성하는 투명 전극 형성단계, 상기 투명 전극 상에 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 광활성층을 형성하는 광활성층 형성단계 및 상기 광활성층 상에 반사 전극을 형성하는 반사 전극 형성단계를 포함하여 구성된다.The solar cell manufacturing method according to the present invention for solving this problem is a nano-pattern forming step of forming a nano-pattern on the surface of the substrate using a nano-imprinting method to increase the absorption efficiency of incident light, on the other surface of the substrate A transparent electrode forming step of forming a transparent electrode, a photoactive layer forming step of absorbing light on the transparent electrode to form electrons and holes, and a reflective electrode forming step of forming a reflective electrode on the photoactive layer; It is configured to include.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 나노패턴 형성단계는 상기 기판의 일면에 나노 임프린트 레진을 형성하는 나노 임프린트 레진 형성단계, 상기 기판의 일면에 형성될 나노패턴에 대응하는 패턴이 형성되어 있는 나노 임프린트 몰드를 상기 나노 임프린트 레진에 가압하여 상기 나노 임프린트 몰드에 형성되어 있는 패턴을 상기 나노 임프린트 레진에 전사하는 패턴 전사단계, 상기 나노 임프린트 몰드를 상기 나노 임프린트 레진으로부터 분리하는 나노 임프린트 몰드 분리단계 및 상기 기판의 일면에 상기 나노패턴이 형성되도록 상기 나노 임프린트 레진에 전사되어 있는 패턴을 마스크로 이용하여 상기 기판의 일면을 건식 식각하는 건식 식각단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the invention, the nano-pattern forming step is a nano-imprint resin forming step of forming a nano-imprint resin on one surface of the substrate, a pattern corresponding to the nano-pattern to be formed on one surface of the substrate is formed A pattern transfer step of transferring the pattern formed on the nanoimprint mold to the nanoimprint resin by pressing the nanoimprint mold on the nanoimprint resin, and separating the nanoimprint mold from the nanoimprint resin. And a dry etching step of dry etching one surface of the substrate using a pattern transferred to the nanoimprint resin as a mask so that the nanopattern is formed on one surface of the substrate.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 건식 식각단계 이후, 잔류하는 나노 임프린트 레진을 제거하는 나노 임프린트 레진 제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the invention, after the dry etching step, characterized in that it further comprises a nano imprint resin removing step of removing the remaining nano imprint resin.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 건식 식각은 상기 기판의 일면으로부터 상기 나노 임프린트 레진이 모두 제거될 때 까지 수행되는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a solar cell according to the present invention, the dry etching is performed until all of the nanoimprint resin is removed from one surface of the substrate.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 패턴 전사단계에서, 압력, 열 및 자외선 중에서 하나 이상을 가해주는 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the invention, in the pattern transfer step, it is characterized in that to apply one or more of pressure, heat and ultraviolet.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 나노 임프린트 몰드의 패턴은 알루미늄 양극 산화(anodized aluminium oxide, AAO) 방법 또는 광화학 에칭(photo chemical etching, PCE) 방법 또는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 방법을 통해 형성된 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a solar cell according to the present invention, the pattern of the nanoimprint mold may be anodized aluminum oxide (AOO) method, photochemical etching (PCE) method, or electron beam lithography method. Characterized in that formed through.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 양극 산화 방법의 경우, 알루미늄 재질의 나노 임프린트 몰드 표면을 옥살산 또는 인산 또는 크롬산으로 양극 산화시켜 10nm 이상 500nm 이하의 지름을 갖는 패턴을 상기 나노 임프린트 몰드에 형성하는 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the present invention, in the case of the aluminum anodization method, the nanoimprint mold having a diameter of 10 nm or more and 500 nm or less by anodizing an aluminum imprint mold surface of aluminum with oxalic acid, phosphoric acid, or chromic acid. It characterized in that formed on.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 광화학 에칭 방법의 경우, GaN 재질의 나노 임프린트 몰드를 1M 이상 8M 이하의 농도를 갖는 NaOH 또는 KOH와 과산화수소의 혼합물로 5분 이상 60분 이하의 시간 동안 식각하여 상기 나노 임프린트 몰드에 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the present invention, in the case of the photochemical etching method, the GaN nanoimprint mold of NaOH or KOH and hydrogen peroxide having a concentration of 1M or more and 8M or less for 5 minutes or more and 60 minutes or less. Etching to form a pattern on the nanoimprint mold.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 기판은 유리(glass), PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA, SUS(Steel Use Stainless)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the present invention, the substrate is glass, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyether sulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), PA ( poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA, SUS (Steel Use Stainless) is characterized in that it comprises one or more selected from the group consisting of.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 투명 전극은 은 나노선, graphene, carbon nanotube, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the invention, the transparent electrode is characterized in that it comprises one or more selected from the group consisting of silver nanowires, graphene, carbon nanotube, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO and PEDOT: PSS. It is done.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 광활성층은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 및 amorphous silicon으로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM 및 ICBA로 이루어진 군에서 선택된 1종이 혼합된 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the present invention, the photoactive layer is selected from the group consisting of P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN and amorphous silicon and in the group consisting of PCBM and ICBA It is characterized in that the selected one is mixed.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 반사 전극은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the solar cell manufacturing method according to the invention, the reflective electrode is Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti , Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh and Mg characterized in that it comprises one or more selected from the group consisting of.
본 발명에 따른 태양전지는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.The solar cell according to the present invention is characterized by being manufactured by the solar cell manufacturing method according to the present invention.
본 발명에 따르면, 기판의 표면에 나노패턴을 형성하여 기판으로 입사되는 광을 산란시킴으로써, 공기와 기판의 계면에서의 반사 등으로 인한 광 손실을 줄일 수 있고, 광의 산란으로 인해 광활성층을 지나는 광의 진행 경로가 길어지기 때문에 광흡수 효율이 향상되어, 태양전지의 소자 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.According to the present invention, by forming a nano-pattern on the surface of the substrate to scatter the light incident on the substrate, it is possible to reduce the light loss due to reflection at the interface between the air and the substrate, and the light passing through the photoactive layer due to the scattering of light Since the traveling path is long, the light absorption efficiency is improved, and the device efficiency of the solar cell is greatly improved.
또한, 나노 임프린팅을 이용하여 패턴을 형성하기 때문에 한번 만들어진 임프린트 몰드를 반복적으로 재사용할 수 있어서, 대면적의 기판에 균일한 나노패턴을 형성할 수 있고, 제조비용을 저감하고 공정시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the pattern is formed using nanoimprinting, the imprint mold made once can be reused repeatedly, so that a uniform nanopattern can be formed on a large-area substrate, and the manufacturing cost can be reduced and the processing time can be shortened. It can be effective.
도 1은 종래의 태양전지의 광흡수 효율이 저하되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 광흡수 효율이 향상되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조방법의 공정 순서도이다.
도 4 내지 도 7, 도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조방법의 공정 단면도이다.
도 8은 알루미늄 양극 산화(anodized aluminium oxide, AAO) 방법을 통해 제작한 몰드를 나노 임프린팅하여 획득한 볼록한 모양의 나노구조체를 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 9는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 방법을 통해 제작한 몰드를 나노 임프린팅하여 획득한 원기둥 모양의 나노구조체를 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 10은 광화학 에칭(photo chemical etching, PCE) 방법을 통해 제작한 몰드를 나노 임프린팅하여 획득한 피라미드 모양의 나노구조체를 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 촬영한 사진이다.1 is a view for explaining a phenomenon that the light absorption efficiency of the conventional solar cell is lowered.
2 is a view for explaining the principle of improving the light absorption efficiency of the solar cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a process flowchart of a solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
4 to 7, 11 to 14 are cross-sectional views of a solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a photograph taken by scanning electron microscopy (SEM) of a convex-shaped nanostructure obtained by nanoimprinting a mold manufactured by an anodized aluminum oxide (AAO) method.
FIG. 9 is a photograph taken by scanning electron microscopy (SEM) of a cylindrical nanostructure obtained by nanoimprinting a mold manufactured by an electron beam lithography method.
10 is a photograph taken with a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscopy, SEM) of a pyramidal-shaped nanostructure obtained by nanoimprinting a mold produced by a photo chemical etching (PCE) method.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기에 앞서 도1과 도2를 비교 참조하여 본 발명의 기본적인 원리를 설명한다.Before explaining the preferred embodiment of the present invention, the basic principle of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
앞서 설명한 바와 같이, 도 1을 참조하면, 종래의 방식과 같이 매끈한 표면의 기판을 적용하는 경우, 입사된 빛이 기판의 표면에서 반사되어 나가기 때문에 태양전지 소자로 입사되는 빛의 양이 적고, 투과된 빛이 광활성층을 향하여 직진하여 나가기 때문에 빛의 경로가 짧아서 최종적으로 광활성층이 흡수하는 빛의 양이 적다. 또한 기판의 표면에 입사되는 빛의 입사각이 작은 경우 내부 전반사로 소실되는 빛의 양이 크기 때문에, 태양전지의 효율이 기판의 표면에 입사되는 빛의 입사각에 민감하다는 문제점이 있다.As described above, referring to FIG. 1, when the substrate having the smooth surface is applied as in the conventional method, since the incident light is reflected from the surface of the substrate, the amount of light incident on the solar cell element is small and transmitted. Since the light passes straight toward the photoactive layer, the light path is short, so the amount of light finally absorbed by the photoactive layer is small. In addition, when the incident angle of light incident on the surface of the substrate is small, since the amount of light lost by total internal reflection is large, there is a problem that the efficiency of the solar cell is sensitive to the incident angle of light incident on the surface of the substrate.
반면 도 2를 참조하면, 본 발명에서와 같이, 기판 표면에 나노 구조물을 형성할 경우, 입사된 빛이 나노 구조물에 의해서 반사되는 양이 줄어들게 되고, 산란되서 투과되는 양이 증가하기 때문에 광활성층을 이동하는 빛의 경로가 길어져서 광흡수 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
On the other hand, referring to Figure 2, as in the present invention, when the nanostructures are formed on the surface of the substrate, the amount of incident light is reflected by the nanostructures is reduced, the amount of light transmitted through the scattering is increased so that the photoactive layer The longer the path of the moving light can dramatically improve the light absorption efficiency.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조방법의 공정 순서도이고, 도 4 내지 도 7, 도 11 내지 도 14는 그 공정 단면도들이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIGS. 4 to 7 and 11 to 14 are cross-sectional views thereof.
도 3 내지 도 7, 도 11 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조방법은 나노패턴 형성단계(S10), 투명 전극 형성단계(S20), 광활성층 형성단계(S30) 및 반사 전극 형성단계(S40)를 포함하여 구성된다.3 to 7, 11 to 14, the solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention nano-pattern forming step (S10), transparent electrode forming step (S20), photoactive layer forming step (S30) ) And a reflective electrode forming step (S40).
도 3을 참조하면, 나노패턴 형성단계(S10)에서는, 외부로부터 기판(10)으로 입사되는 광의 흡수효율을 높이기 위한 나노패턴을 나노 임프린팅 방식을 이용하여 기판(10)의 일면에 형성하는 과정이 수행된다.Referring to FIG. 3, in the nanopattern forming step S10, a process of forming a nanopattern on one surface of the
기판(10)은 광 투과성이 우수한 유리(glass), PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA, SUS(Steel Use Stainless)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 구성될 수 있다.The
예를 들어 도 3 내지 도 7, 도 11 내지 도 14를 참조하면 , 이러한 나노패턴 형성단계(S10)는 나노 임프린트 레진 형성단계(S110), 패턴 전사단계(S120), 나노 임프린트 몰드 분리단계(S130), 건식 식각단계(S140) 및 나노 임프린트 레진 제거단계(S150)를 포함하여 구성될 수 있다.For example, referring to FIGS. 3 to 7 and 11 to 14, the nano pattern forming step S10 may include a nano imprint resin forming step S110, a pattern transfer step S120, and a nano imprint mold separation step S130. ), A dry etching step (S140) and nano imprint resin removal step (S150) can be configured.
먼저 도 3과 도 4를 참조하면, 나노 임프린트 레진 형성단계(S110)에서는, 기판(10)의 일면에 나노 임프린트 레진(20)을 코팅하는 과정이 수행된다.First, referring to FIGS. 3 and 4, in the nanoimprint resin forming step S110, a process of coating the
다음으로 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 패턴 전사단계(S120)에서는, 최종적으로 기판(10)의 일면에 형성될 나노패턴에 대응하는 패턴이 형성되어 있는 나노 임프린트 몰드(100)를 나노 임프린트 레진(20)에 가압하여 나노 임프린트 몰드(100)에 형성되어 있는 패턴을 나노 임프린트 레진(20)에 전사하는 과정이 수행된다. 가압 과정에서, 일정한 열과 압력을 가하거나, 자외선을 조사하여 경화시키는 과정이 추가적으로 수행될 수 있다.Next, referring to FIGS. 3, 5, and 6, in the pattern transfer step S120, the
예를 들어, 나노 임프린트 몰드(100)의 패턴은 알루미늄 양극 산화(anodized aluminium oxide, AAO) 방법 또는 광화학 에칭(photo chemical etching, PCE) 방법 또는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 방법을 통해 형성될 수 있다.For example, the pattern of the
알루미늄 양극 산화 방법의 경우, 알루미늄 재질의 나노 임프린트 몰드(100) 표면을 옥살산 또는 인산 또는 크롬산으로 양극 산화시켜, 10nm 이상 500nm 이하의 지름을 갖는 패턴을 나노 임프린트 몰드(100)에 형성하도록 구성될 수 있다.In the aluminum anodization method, the surface of the
광화학 에칭 방법의 경우, GaN 재질의 나노 임프린트 몰드(100)를 1M 이상 8M 이하의 농도를 갖는 NaOH 또는 KOH와 과산화수소의 혼합물로 5분 이상 60분 이하의 시간 동안 식각하여, 나노 임프린트 몰드(100)에 패턴을 형성하도록 구성될 수 있다.In the case of the photochemical etching method, the
다음으로 도 3과 도 7을 참조하면, 나노 임프린트 몰드 분리단계(S130)에서는,나노 임프린트 몰드(100)를 나노 임프린트 레진(20)으로부터 분리하는 과정이 수행된다.Next, referring to FIGS. 3 and 7, in the nanoimprint mold separation step S130, a process of separating the
도 8은 알루미늄 양극 산화(anodized aluminium oxide, AAO) 방법을 통해 제작한 몰드를 나노 임프린팅하여 획득한 볼록한 모양의 나노구조체를 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 촬영한 사진이다.FIG. 8 is a photograph taken by scanning electron microscopy (SEM) of a convex-shaped nanostructure obtained by nanoimprinting a mold manufactured by an anodized aluminum oxide (AAO) method.
도 8을 참조하면, 나노구조체의 크기는 200nm~700nm 이며, 나노 임프린트 방식을 사용했기 때문에 대면적으로 균일하게 패턴을 형성할 수 있다. 위와 같은 나노구조체 형상은 기판(10) 표면에서 반사된 빛이 다시 한번 계면을 만나서 투과될 수 있기 때문에, 반사 방지효과를 갖고 있다. 또한 레이라이 산란(layleigh scattering)에 의한 산란 투과 효과는 기판(10) 아래에 형성된 광활성층(40)을 지나는 빛의 경로를 길게 하여 광흡수 효율을 증가시킨다.Referring to FIG. 8, the nanostructures have a size of 200 nm to 700 nm, and since the nano imprint method is used, a large area may be uniformly formed. The nanostructure shape as described above has an antireflection effect because the light reflected from the surface of the
도 9는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 방법을 통해 제작한 몰드를 나노 임프린팅하여 획득한 원기둥 모양의 나노구조체를 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 촬영한 사진이다.FIG. 9 is a photograph taken by scanning electron microscopy (SEM) of a cylindrical nanostructure obtained by nanoimprinting a mold manufactured by an electron beam lithography method.
도 9를 참조하면, 나노구조체의 크기는 200nm~300nm 이며, 패턴 사이의 간격은 400nm이다. 나노기둥의 깊이는 약 300nm~400nm의 크기를 갖고 있다. 이러한 패턴은 기판(10) 표면의 굴절률 구배를 줄 수 있기 때문에 기판(10)과 공기의 계면에서 일어나는 Fresnel 반사를 줄일 수 있으며, 산란 투과 효과를 얻을 수 있기 때문에 태양전지의 광흡수 효율을 증가시킨다.9, the size of the nanostructures is 200nm ~ 300nm, the spacing between the patterns is 400nm. The nanopillar has a depth of about 300 nm to 400 nm. Since the pattern can give a refractive index gradient on the surface of the
도 10은 광화학 에칭(photo chemical etching, PCE) 방법을 통해 제작한 몰드를 나노 임프린팅하여 획득한 피라미드 모양의 나노구조체를 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 촬영한 사진이다.10 is a photograph taken with a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscopy, SEM) of a pyramidal-shaped nanostructure obtained by nanoimprinting a mold produced by a photo chemical etching (PCE) method.
도 10을 참조하면, 앞서 설명한 몰드 형상을 얻기 위해서 질화갈륨계 반도체 를 KOH 또는 NaOH 등의 강염기 용액에 침지한 후 제논 램프(Xe lamp)와 같은 고출력 자외선 광원을 이용하여 자외선을 조사하였다. 이 때 염기 용액의 몰농도는 0.1M - 10M이고, 자외선 광원의 파장은 100 nm - 400 nm이다. 피라미드 구조의 나노구조체는 표면 반사를 억제하는 역할과, 산란 투과를 일으키는 특성을 갖고 있기 때문에, 태양전지의 소자효율을 증가시킨다.Referring to FIG. 10, in order to obtain the mold shape described above, the gallium nitride-based semiconductor was immersed in a strong base solution such as KOH or NaOH, and then irradiated with ultraviolet rays using a high power ultraviolet light source such as a Xen lamp. At this time, the molar concentration of the base solution is 0.1M-10M, the wavelength of the ultraviolet light source is 100 nm-400 nm. Since the pyramidal nanostructure has a role of suppressing surface reflection and causing scattering transmission, device efficiency of a solar cell is increased.
다음으로 도 3, 도 11 및 도 12를 참조하면, 건식 식각단계(S140)에서는, 나노 임프린트 레진(20)에 전사되어 있는 패턴을 마스크로 이용하여 기판(10)의 일면을 건식 식각함으로써, 기판(10)의 일면에 나노패턴을 형성하는 과정이 수행된다.Next, referring to FIGS. 3, 11, and 12, in the dry etching step S140, a dry etching of one surface of the
다음으로 도 3 및 도 13을 참조하면, 나노 임프린트 레진 제거단계(S150)에서는, 건식 식각이 종료된 이후에 기판(10)의 일면에 일부 잔류하는 나노 임프린트 레진(20)을 제거하는 과정이 수행된다.Next, referring to FIGS. 3 and 13, in the nanoimprint resin removing step S150, a process of removing the
한편, 건식 식각 공정을 기판(10)의 일면으로부터 나노 임프린트 레진(20)이 모두 제거될 때 까지 수행함으로써, 추가적인 나노 임프린트 레진 제거 공정을 생략할 수도 있다.Meanwhile, the dry etching process may be performed until all of the
이상의 공정을 거치게 되면 기판(10)의 일면에는 도 13에 도시된 바와 같은 나노패턴이 형성된다.Through the above process, a nano pattern as shown in FIG. 13 is formed on one surface of the
다음으로 도 3 및 도 14를 참조하여, 투명 전극(30), 광활성층(40) 및 반사 전극(50)을 형성하는 과정을 설명한다.Next, a process of forming the
투명 전극 형성단계(S20)에서는, 기판(10)의 타면 상에 투명 전극(30)을 형성하는 과정이 수행된다. 기판(10)의 타면은 나노패턴이 형성되어 있는 일면의 반대 면이면, 투명 전극(30)은 후술하는 반사 전극(50)과 쌍을 이루는 전극이다.In the transparent electrode forming step S20, a process of forming the
예를 들어, 투명 전극(30)은 광 투과성과 전기 전도성이 우수한 은 나노선, graphene, carbon nanotube, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있다.For example, the
광활성층 형성단계(S30)에서는, 투명 전극(30) 상에 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 광활성층(40)을 형성하는 과정이 수행된다.In the photoactive layer forming step S30, a process of forming the
예를 들어, 광활성층(40)은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 및 amorphous silicon으로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM 및 ICBA로 이루어진 군에서 선택된 1종이 혼합된 물질로 구성될 수 있다. P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 및 amorphous silicon은 p형물질이고, PCBM 및 ICBA는 n형 물질이다.For example, the
반사 전극 형성단계(S40)에서는, 광활성층(40) 상에 반사 전극(50)을 형성하는 과정이 수행된다. 반사 전극(50)은 광활성층(40)으로부터 입사되는 광을 다시 반사시켜 광활성층(40)에서의 광흡수 효율을 향상시키는 기능을 수행한다.In the reflective electrode forming step S40, a process of forming the
예를 들어, 이러한 반사 전극(50)은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 물질로 구성될 수 있다.
For example, the
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기판의 표면에 나노패턴을 형성하여 기판으로 입사되는 광을 산란시킴으로써, 공기와 기판의 계면에서의 반사 등으로 인한 광 손실을 줄일 수 있고, 광의 산란으로 인해 광활성층을 지나는 광의 진행 경로가 길어지기 때문에 광흡수 효율이 향상되어, 태양전지의 소자 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.According to the present invention as described in detail above, by forming a nano-pattern on the surface of the substrate to scatter the light incident on the substrate, it is possible to reduce the light loss due to reflection at the interface between the air and the substrate, and to scatter the light As a result, the path of light passing through the photoactive layer becomes longer, so that the light absorption efficiency is improved, and the device efficiency of the solar cell is greatly improved.
또한, 나노 임프린팅을 이용하여 패턴을 형성하기 때문에 한번 만들어진 임프린트 몰드를 반복적으로 재사용할 수 있어서, 대면적의 기판에 균일한 나노패턴을 형성할 수 있고, 제조비용을 저감하고 공정시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
In addition, since the pattern is formed using nanoimprinting, the imprint mold made once can be reused repeatedly, so that a uniform nanopattern can be formed on a large-area substrate, and the manufacturing cost can be reduced and the processing time can be shortened. It can be effective.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. In addition, it is obvious that any person skilled in the art may make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
10: 기판
20: 나노 임프린트 레진
30: 투명 전극
40: 광활성층
50: 반사 전극
100: 나노 임프린트 몰드
S10: 나노패턴 형성단계
S20: 투명 전극 형성단계
S30: 광활성층 형성단계
S40: 반사 전극 형성단계
S110: 나노 임프린트 레진 형성단계
S120: 패턴 전사단계
S130: 나노 임프린트 몰드 분리단계
S140: 건식 식각단계
S150: 나노 임프린트 레진 제거단계10: substrate
20: Nanoimprint resin
30: transparent electrode
40: photoactive layer
50: reflective electrode
100: Nanoimprint mold
S10: step of forming nanopattern
S20: transparent electrode forming step
S30: photoactive layer forming step
S40: forming the reflective electrode
S110: nano imprint resin forming step
S120: pattern transfer step
S130: nanoimprint mold separation step
S140: dry etching step
S150: removing nano imprint resin
Claims (13)
입사되는 광의 흡수효율을 높이기 위한 나노패턴을 나노 임프린팅 방식을 이용하여 기판의 일면에 형성하는 나노패턴 형성단계;
상기 기판의 타면 상에 투명 전극을 형성하는 투명 전극 형성단계;
상기 투명 전극 상에 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 광활성층을 형성하는 광활성층 형성단계; 및
상기 광활성층 상에 반사 전극을 형성하는 반사 전극 형성단계를 포함하는, 태양전지 제조방법.In the solar cell manufacturing method,
Forming a nanopattern on one surface of the substrate using a nanoimprinting method to increase absorption efficiency of incident light;
Forming a transparent electrode on the other surface of the substrate;
A photoactive layer forming step of forming a photoactive layer absorbing light on the transparent electrode to generate electrons and holes; And
And a reflective electrode forming step of forming a reflective electrode on the photoactive layer.
상기 나노패턴 형성단계는
상기 기판의 일면에 나노 임프린트 레진을 형성하는 나노 임프린트 레진 형성단계;
상기 기판의 일면에 형성될 나노패턴에 대응하는 패턴이 형성되어 있는 나노 임프린트 몰드를 상기 나노 임프린트 레진에 가압하여 상기 나노 임프린트 몰드에 형성되어 있는 패턴을 상기 나노 임프린트 레진에 전사하는 패턴 전사단계;
상기 나노 임프린트 몰드를 상기 나노 임프린트 레진으로부터 분리하는 나노 임프린트 몰드 분리단계; 및
상기 기판의 일면에 상기 나노패턴이 형성되도록 상기 나노 임프린트 레진에 전사되어 있는 패턴을 마스크로 이용하여 상기 기판의 일면을 건식 식각하는 건식 식각단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method according to claim 1,
The nanopattern forming step
A nano imprint resin forming step of forming a nano imprint resin on one surface of the substrate;
A pattern transfer step of transferring a pattern formed on the nanoimprint mold to the nanoimprint resin by pressing the nanoimprint mold having a pattern corresponding to the nanopattern to be formed on one surface of the substrate to the nanoimprint resin;
A nano imprint mold separation step of separating the nano imprint mold from the nano imprint resin; And
And a dry etching step of dry etching one surface of the substrate using a pattern transferred to the nanoimprint resin as a mask so that the nanopattern is formed on one surface of the substrate.
상기 건식 식각단계 이후, 잔류하는 나노 임프린트 레진을 제거하는 나노 임프린트 레진 제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method of claim 2,
After the dry etching step, characterized in that it further comprises a nano imprint resin removing step of removing the remaining nano imprint resin, solar cell manufacturing method.
상기 건식 식각은 상기 기판의 일면으로부터 상기 나노 임프린트 레진이 모두 제거될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method of claim 2,
The dry etching may be performed until all of the nanoimprint resin is removed from one surface of the substrate.
상기 패턴 전사단계에서, 압력, 열 및 자외선 중에서 하나 이상을 가해주는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method of claim 2,
In the pattern transfer step, characterized in that to apply one or more of pressure, heat and ultraviolet, solar cell manufacturing method.
상기 나노 임프린트 몰드의 패턴은 알루미늄 양극 산화(anodized aluminium oxide, AAO) 방법 또는 광화학 에칭(photo chemical etching, PCE) 방법 또는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 방법을 통해 형성된 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method of claim 2,
The pattern of the nanoimprint mold is formed by an anodized aluminum oxide (AAO) method, photochemical etching (PCE) method or electron beam lithography (e-beam lithography) method, characterized in that the solar cell manufacturing Way.
상기 알루미늄 양극 산화 방법의 경우, 알루미늄 재질의 나노 임프린트 몰드 표면을 옥살산 또는 인산 또는 크롬산으로 양극 산화시켜 10nm 이상 500nm 이하의 지름을 갖는 패턴을 상기 나노 임프린트 몰드에 형성하는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method of claim 6,
In the case of the aluminum anodization method, the surface of the nanoimprint mold made of aluminum is anodized with oxalic acid, phosphoric acid, or chromic acid to form a pattern having a diameter of 10 nm or more and 500 nm or less in the nanoimprint mold. Way.
상기 광화학 에칭 방법의 경우, GaN 재질의 나노 임프린트 몰드를 1M 이상 8M 이하의 농도를 갖는 NaOH 또는 KOH와 과산화수소의 혼합물로 5분 이상 60분 이하의 시간 동안 식각하여 상기 나노 임프린트 몰드에 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method of claim 6,
In the photochemical etching method, a pattern is formed on the nanoimprint mold by etching a GaN nanoimprint mold with a mixture of NaOH or KOH and hydrogen peroxide having a concentration of 1 M or more and 8 M or less for 5 minutes to 60 minutes. Characterized in that the solar cell manufacturing method.
상기 기판은 유리(glass), PET(polyethylene terephthalate), PC(poly carbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS, PMMA, SUS(Steel Use Stainless)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method according to claim 1,
The substrate is glass, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyether sulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), poly acrylate (PA), PUA, PDMS, PMMA, SUS (Steel Use Stainless) characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of, solar cell manufacturing method.
상기 투명 전극은 은 나노선, graphene, carbon nanotube, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method according to claim 1,
The transparent electrode is characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of silver nanowires, graphene, carbon nanotube, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO and PEDOT: PSS, solar cell manufacturing method.
상기 광활성층은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN 및 amorphous silicon으로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM 및 ICBA로 이루어진 군에서 선택된 1종이 혼합된 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method according to claim 1,
The photoactive layer is characterized in that one selected from the group consisting of P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF, PFN and amorphous silicon and one selected from the group consisting of PCBM and ICBA, Battery manufacturing method.
상기 반사 전극은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지 제조방법.The method according to claim 1,
The reflective electrode is Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh and Mg, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of, solar cell manufacturing method.
The solar cell of claim 1, wherein the solar cell is manufactured by the solar cell manufacturing method of claim 1.
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Publications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130114933A (en) |
-
2012
- 2012-04-10 KR KR1020120037371A patent/KR20130114933A/en not_active Application Discontinuation
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