KR20130142706A - 유기태양전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기능층을 패턴하지 않고 전면 박박으로 형성한 유기태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 유기 태양전지 모듈은 기능층들을 패턴하지 않고 전면박막으로 형성됨에 따라 필요한 패턴수가 감소하여 공정 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 기능층의 패턴 또는 이동(shift) 없이도 각 단위셀들간의 전기적인 연결이 가능하며, 그 결과 기능층의 이동만큼 발생되었던 dead존을 줄여 모듈 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

유기태양전지 모듈 및 이의 제조방법{Organic solar cell module and Method for preparing the same}

본 발명은 유기태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기능층을 패턴하지 않고 전면 박막으로 형성한 유기태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 전세계적으로 화석연료의 소비가 급격히 늘어나면서 유가가 급격히 상승하고 있으며 지구 온난화 등의 환경문제로 청정 대체에너지의 필요성이 높아지고 있다. 이에 세계 각국은 신재생 에너지원에 총력을 기울이고 있으며, 특히 최근에는 교토의정서 발효와 맞물려 친환경적인 무공해 에너지원 개발이 국가의 당면과제로 제기되고 있다.

무한한 에너지원인 태양광으로부터 전기를 생산하는 태양전지 기술은 다양한 신재생 에너지 기술 중에서도 가장 관심을 받는 분야이다. 현재 태양전지의 주된 부분을 차지하고 있는 무기물 실리콘 태양전지는 상용화되어 시판되고 있다. 그러나 비싼 재료 가격과 재료공급의 한계성이라는 단점이 있다. 또한 복잡한 제작공정도 비용이 상승하는 요인이 된다.

따라서 이러한 무기물 실리콘 태양전지의 대안으로 유기 태양전지의 대한 관심이 모아지고 있다. 유기 태양전지는 유기 재료의 우수한 가공성, 다양성, 경량성 및 경제성(값싼 원재료)이라는 장점을 가지고 있다. 또한 기존 무기물 실리콘 태양전지에 비해 제작 공정이 간단하여 제작 비용을 줄일 수 있는 장점도 있다.

유기 태양전지의 단위소자(혹은 셀, cell) 효율이 상용화 가능할 정도로 증가됨에 따라, 단위소자를 연속적으로 연결한 유기 태양전지 모듈에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 유기물의 용액공정이 가능한 장점 때문에, 이를 프린팅 공정에 도입하여 저가의 유기태양전지 모듈을 제작하는 연구가 특히 각광받고 있다.

도 1은 가장 널리 사용되는 기존의 유기 태양전지 모듈형태를 제시하였다. 기존의 모듈은 기판(Substrate)(1) 위에 패턴된 하부전극)(Electrode)(2), 패턴된 기능층(Hole transport layer1, HTL1 또는 Electron transport layer, ETL1)(3), 패턴된 광활성층(Active layer)(4), 패턴된 기능층(Electron transport layer, ETL2 또는 Hole transport layer2, HTL)(5) 및 패턴된 상부전극(Electrode)(6)의 형태로 이루어져 있다.

모듈은 패턴된 단위 셀(Cell)이 연속적으로 연결된 형태를 의미한다. 이때 셀 간의 연결은 셀 간의 반대전극(Counter electrode)간의 연결을 의미한다. 예를 들면, 도 1과 같이 셀1의 하부전극(2)은 셀2의 상부전극(6')와 연결되고, 셀2의 하부전극(2')는 셀 3의 상부전극(6")와 연결된다. 이와 같은 방식으로 더 많은 셀이 연결이 가능하다.

단위소자(셀)들의 연결로 형성된 태양전지 모듈은 직렬 혹은 병렬의 형태로 연결 할 수 있으며, 이러한 모듈의 목적은 목표하는 전압 (직렬의 경우) 또는 전류(병렬의 경우)를 얻기 위함이다. 또한 태양전지의 모듈을 만드는 다른 이유는 기존의 전극(예를 들면, indium tin oxide, ITO)의 면저항이 크므로, 전자와 정공을 수집할 때 드는 손실(소위 Ohmic loss)을 최소화하기 위한 것으로, Stripe 형태로 전극을 패턴하는 것이 가장 일반적이다.

도 1을 참고하면, 기존의 유기 태양전지 모듈은 각 셀의 반대전극을 연속적으로 연결하기 위해 약간씩 층을 이동(Shift)시켜 박막을 형성시킨다. 이때 셀이 갖는 스스로의 반대전극끼리 맞닿으면 모듈로써 작동하지 않는다. 예를 들면, 셀 1의 하부전극(2)와 상부전극(5)이 맞닿으면 안된다. 기존의 유기 태양전지 모듈은 전극뿐만 아니라 기능층과 광활성층도 패턴을 하는데, 이는 정공과 전자의 결합을 위한 셀 간의 전극간의 접촉 저항을 최소화하기 위함이다. 즉, 셀1의 하부전극(2)과 셀 2의 상부전극(5')가 다른 층의 장애가 없이 바로 맞닿을 수 있기 위해서이다.

그러나, 도 1과 같이 각 층을 이동(shift)하면서 패턴된 박막 제작 시에 박막의 정렬(Align)을 위한 고도의 패턴 기술을 요구하여 모듈제작을 어렵게 만들고, 결국 유기태양전지 모듈의 가격을 증가 시킬 수 있다.

또한, 도 1과 같은 종래 모듈 구조는 각 셀의 하부전극과 상부전극이 겹쳐지는 부분(Active area : 실제적으로 전기에너지를 형성시킬 수 있는 영역)을 감소시키고, 같은 셀 내에서 전극사이에 광활성층이 겹쳐지지 않는 부분(Passive area)을 증가시켜 전체 태양전지 면적에서 dead zone을 증가시켜 모듈효율의 감소를 초래한다.

본 발명은 새로운 구조의 유기 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명은 유기 태양전지를 이루는 각 층의 패턴수를 줄여 공정효율을 높일 수 있는 유기태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 모듈 제작시 발생하는 dead존을 최소화하여 모듈 효율을 증가시킬 수 있는 유기태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양상은,

기판 상에 복수개의 단위셀(cell)이 배열되는 유기태양전지 모듈로서, 상기 유기태양전지 모듈은 상기 기판 위에 단위셀별로 패턴된 제 1 전극층, 상기 제 1 전극층 상에 단위셀별로 패턴된 광활성층, 상기 광활성층 상에 단위셀별로 패턴된 제 2 전극층을 포함하고, 및 상기 유기태양전지 모듈은 상기 제 1 전극층과 광활성층 사이에 형성되는 제 1 기능층과 상기 광활성층 및 제 2 전극층 사이에 형성되는 제 2 기능층 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제 1 기능층 및 제 2 기능층은 단위셀별로 패턴되지 않고, 전면박막으로 형성된 유기태양전지 모듈에 관계한다.

다른 양상에서, 본 발명은 기판 상에 복수개의 단위셀(cell)이 배열되는 유기태양전지 모듈의 제조방법으로서, 상기 방법은 상기 단위셀별로 패턴된 1 전극층을 상기 기판 상에 형성하는 단계 ; 상기 제 1전극층과 기판 상에 제 1 기능층을 패턴하지 않고 전면박막으로 형성하는 단계 ; 상기 단위셀별로 패턴된 광활성층을 상기 1 기능층 상에 형성하는 단계 ; 상기 단위셀별로 패턴된 제 2 전극층을 상기 광활성층 상에 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지 모듈의 제조방법을 포함한다.

본 발명의 유기 태양전지 모듈은 기능층들을 패턴하지 않고 전면박막으로 형성됨에 따라 필요한 패턴수가 감소하여 공정 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에서는 기능층의 패턴 또는 이동(shift) 없이도 각 단위셀들간의 전기적인 연결이 가능하며, 그 결과 기능층의 이동만큼 발생되었던 dead존을 줄여 모듈 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 유기 태양전지 모듈형태를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 태양전지모듈을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 의한 태양전지 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 유기태양전지 모듈의 제조개념도이다.
도 5는 도 2의 유기태양전지 모듈을 제조하는 방법을 나타낸다.
도 6은 도 3의 유기태양전지 모듈을 제조하는 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 의한 적층형 유기태양전지 모듈의 제조개념도이다.
도 8은 실시예 1과 비교예 1의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 비추어 바르게 이해될 수 있다.

본 명세서에서 언급된 적층 구조는 예시적인 의미로 이해되어야 하며, 본 발명이 이러한 특정 적층 구조로 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 있어서, "상에" 또는 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용될 수 있는 바, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있고, 또한 언급된 층과의 관계에서 상부에 존재하기는 하나 언급된 층의 표면(특히, 입체적 형상을 갖는 표면)을 완전히 덮지 않은 경우도 포함할 수 있다. 따라서, 별도로 "직접적으로"라는 표현을 사용하지 않는 한, 상술한 바와 같이 상대적 개념으로 이해될 수 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 또는 "아래에"라는 표현 역시 특정 층(요소)과 다른 층(요소) 사이의 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 태양전지모듈을 나타내는 단면도이다. 도 3은 본 발명의 다른 구현예에 의한 태양전지 모듈을 나타내는 단면도이다. 먼저 도 2를 참고하면, 본 발명의 유기태양전지 모듈은 기판(10)상에 복수개의 단위셀들을 구비한다. 각 단위셀들은 기판(10)위에 제 1 전극층(20), 제 1 기능층(30), 광활성층(40), 제 2 기능층(50) 및 제 2 전극층(60)을 포함한다.

본 발명의 유기 태양전지 모듈은 제 1 기능층(30)과 제 2 기능층(50) 중 하나 이상을 구비할 수 있다.

상기 제 1 기능층(30) 및 제 2 기능층(50)은 단위셀별로 패턴되지 않고, 전면박막으로 형성된다.

상기 1 기능층(30)과 제 2 기능층(50)은 패턴화된 각 단위셀의 전극층, 그 패턴에 의해 제거된 공간을 포함한 모듈 전 면적에 박막 형태로 형성된다. 본 발명에서 사용하는 전면박막이라는 용어는 모듈 전면적에 걸쳐 박막이 형성되는 것을 나타낸다. 상기 제 1 기능층과 제 2 기능층의 전면박막은 용액공정, 열증착, 스퍼터 등을 이용하여 형성될 수 있다.

상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층은 인접 단위셀의 제 1 기능층 또는 제 2 기능층과 연속 또는 불연속적으로 형성할 수 있다.

도 2를 참고하면, 상기 제 1 기능층(30) 또는 제 2 기능층(50)이 인접 단위셀의 제 1 기능층(30') 또는 제 2 기능층(50')과 단절되지 않고 연속적으로 박막을 형성한다. 도 2와 같은 경우, 제 1 기능층(30, 30')이 제 1 전극(20, 20')의 옆면을 덮어 기판 상의 제 1 기능층과 단절없이 연결될 수 있다. 마찬가지로 제 2 기능층(50)이 제 1 전극(20) 또는 제 1 기능층(30)의 옆면을 덮어 기판상의 제 2 기능층(50')과 단절없이 연결될 수 있다.

도 2를 참고하면, 상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층이 연속 전면 박막을 형성하는 경우, 제 1 전극층(20)과 인접 단위셀의 제 2 전극층(60')이 물리적으로 접촉되지 않는다.

도 2와 같이 상기 제 1 기능층과 제 2 기능층이 모두 제 1 전극의 옆면을 덮는 경우 이외에도, 상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층 중 어느 하나가 제 1 전극의 옆면을 덮는 구조도 있을 수 있다.

이러한 구조들은 다양한 방법으로 달성될 수 있는데, 예를 들면, 상기 제 1 기능층 및 제 2 기능층 중 어느 하나의 두께 또는 그 합의 두께가 제 1 전극층의 두께보다 크게 형성되는 경우를 들 수 있다.

또 다른 예로는 기능층들이 제 1 전극 옆면(벽면)을 따라 코팅되는 경우이다. 상기 기능층들로서 일예로 PEDOT:PSS 고분자가 스핀코팅되면, 전극 상부에 존재하는 이들 고분자가 벽면을 따라 흘러내려가더라도 점도가 높은 고분자의 특성상 옆면(벽면) 상에 소정 두께의 층을 형성할 수 있다.

또한, 기능층으로 ZnO 등 금속산화물을 스핀코팅하는 경우로 이들 금속 산화물은 층을 형성하는 경우 잘 안 끊기고 서로 연결되는 경향이 있어 제 1전극층의 벽면에도 소정 두께의 층을 형성할 수 있다.

본 발명의 전극층, 기능층, 광활성층의 두께에 반드시 제한이 있는 것은 아니며, 공지된 두께를 적용하여 제조할 수 있다. 일예로서, 이들 두께는 수나노 두께에서 마이크로단위 두께까지 가능하다. 상기 기능층은 수나노에서 수십나노까지가 바람직하지만, 수백 내지 마이크로 두께범위를 배제하는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 기능층의 두께가 100nm이내, 바람직하게는 1~50nm, 더 바람직하게는 1~10nm일 수 있다.

본 발명의 유기태양전지 모듈은 제 1 전극층(20)과 인접 단위셀의 제 2 전극층(60')이 물리적으로 접촉되지 않아도 모듈 내의 단위셀과 전기적 연결이 될 수 있다.

좀 더 상술하면, 제 1 전극층(20)과 인접 단위셀의 제 2 전극층(60')이 맞닿지 않고 기능층들이 끼어 있는 구조지만, 전하수송 특성이 좋은 물질, 예를 들면, 전도성 고분자, 금속산화물, 도핑된 금속산화물은 전도도가좋아 전하가 흐를 수 있기 때문에 전기적 연결이 가능하다.

또한, 기능층으로 수나노미터의 두께로 코팅되는 물질들도 있기 때문에 이 경우 전하의 터널링 메카니즘을 통해 큰 저항 없이 전하를 이동시킬 수 있다.

또한, 도 2와 같이 제 1 기능층과 제 2 기능층이 제 1 전극과 제 2 전극사이에 끼어 있기 때문에 적층형 태양전지의 재결합층처럼 작동이 가능하다. 예를들면, 셀 1의 제 1 전극(음극인 경우)에서 나오는 전자가 제 1 기능층(n형 기능층)으로 이동하고, 셀 2의 제 2 전극(양극)에서 나오는 정공이 제 2 기능층(p형 기능층)으로 이동하여 전자, 정공이 재결합(recombination 현상)되어 셀 1과 셀 2의 전기적 연결이 가능하다.

또한, 제 1 기능층 또는 제 2 기능층 박막이 치밀하지 않아(Dense한 정도가 낮음) 전극간의 물리적 접촉이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 기능층이 자기조립 박막으로 형성되는 경우 기능층이 부분적으로 섬구조(island)가 되어 전극이 맞닿을 수 있어 전기적 연결이 가능하다.

도 2와 달리 도 3에서는, 상기 제 1 기능층(130) 또는 제 2 기능층(150)이 인접 단위셀의 제 1 기능층(130') 또는 제 2 기능층(150')과 단절되어 불연속적인 전면박막을 형성한다. 즉, 제 1 기능층(130, 130')이 제 1 전극(120, 120')의 옆면을 덮지 못하여 기판 상의 제 1 기능층과 단절된다. 마찬가지로 제 2 기능층(150)이 제 1 전극(120)의 옆면을 덮지 못하여 제 1 전극의 측면 일부가 노출된다. 따라서, 도 3의 경우에는 제 1 전극층(120)과 인접 단위셀의 제 2 전극층(150')과 물리적으로 접촉되어 인접 단위셀과의 전기적 연결이 가능하다. 즉, 전하들(정공 또는 전자)이 노출된 옆면을 통해 전극끼리 바로 맞닿은 쪽으로 흐를 수 있기 때문에 큰 저항없이 전하를 이동시킬 수 있다.

본 발명의 유기 태양전지 모듈의 제조방법은 상기 단위셀별로 패턴된 1 전극층을 상기 기판 상에 형성하는 단계, 상기 제 1전극층과 기판 상에 제 1 기능층을 패턴하지 않고 전면박막으로 형성하는 단계, 상기 단위셀별로 패턴된 광활성층을 상기 1 기능층 상에 형성하는 단계, 상기 단위셀별로 패턴된 제 2 전극층을 상기 광활성층 상에 형성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 방법은 상기 광활성층을 형성한 후에 제 2 기능층을 패턴하지 않고 전면박막으로 형성하고, 상기 제 2 기능층 상에 상기 단위셀별로 패턴된 제 2 전극층을 형성할 수 있다.

한편, 본 발명의 유기 태양전지의 제조방법은 상기 제 1 기능층을 제 1 전극층과 광활성층 사이에 형성하지 않고, 상기 제 2 기능층만을 광활성층 위에 패턴없이 전면박막으로 형성할 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 유기태양전지 모듈의 제조개념도이다. 도 5는 도 2의 유기태양전지 모듈을 제조하는 방법을 나타내고, 도 6은 도 3의 유기태양 전지 모듈의 제조방법을 나타낸다.

먼저 도 4를 참고하면, 기판(210) 상에 패턴화된 제 1 전극(220)을 형성하고, 그 위에 제 1 기능층(230)을 패턴없이 전면박막으로 형성한다. 이어서, 단위셀별로 패턴화된 광활성층(240)을 제 1 기능층(230) 상에 형성하고, 그 위에 제 2 기능층(250)을 패턴없이 전면박막으로 형성할 수 있다. 이어서, 제 2 기능층 상에 제 2 전극(260)을 형성한다. 참고로, 본 발명에서는 제 1 기능층이나 제 2 기능층 중 하나만을 형성하여 사용할 수 도 있다. 도 4에 의해 제시된 본 발명의 제조방법으로 도 2, 도 3 또는 다른 구조의 유기태양전지 모듈을 제조할 수 있다.

앞에서 상술한 바와 같이 도 2의 구조는 상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층이 인접 단위셀의 제 1 기능층 및 제 2 기능층과 연속 전면 박막을 형성하여 제 1 전극층과 인접 단위셀의 제 2 전극층이 물리적으로 접촉되지 않는 구조이다. 도 5를 참조하면, 상기 방법은 먼저 상기 단위셀별로 패턴된 1 전극층을 상기 기판 상에 형성한다. 제 1 전극층을 형성하는 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니고 공지된 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 전극층을 기판상에 증착한 다음 에칭하여 단위셀 별로 전극패턴을 형성할 수 있다. 또한, 프린팅법으로 상기 기판상에 단위셀별로 제 1 전극 패턴을 형성할 수 있다.

상기 제 1 전극층 형성 단계 후에 제 1 기능층(30)을 형성한다. 제 1 기능층(30)은 용액공정, 열증착, 스퍼터 등을 이용할 수 있으며, 예를 들면. 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법을 사용할 수 있으며, 또한 전자수송층을 구성하는 물질이 저분자 유기물인 경우 용액공정도 가능하고, 용매에 용해시키지 않고 진공 하에서 열증착에 의해 형성될 수도 있다. 도 5를 참고하면, 상기 제 1 기능층은 박막 형성 후 단위셀별로 패턴 형성을 하지 않고 그대로 둔다. 즉, 제 1 기능층(30)은 상기 기판, 제 1 전극층(20)의 측면과 상부에 코팅된다.

다음으로, 상기 광활성층(40)을 상기 제 1 기능층 상에 형성시키되, 제 1 전극(20)과 셀 2의 제 2 전극(60')과의 전기적 연결을 위해 이동(shift)하여 형성한다. 상기 광활성층을 형성하는 방법은 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 스핀 코팅(spin coating)법, 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)법, 또는 스크린 프린팅(screen printing)법일 수 있다.

상기 광활성층 형성 후에 곧바로 제 2 전극층(60)을 형성할 수 있으며, 또는 도 5와 같이, 제 2 기능층(50)을 먼저 형성한 후 제 2 전극층을 형성할 수 있다. 도 5를 참고하면, 제 2 기능층(50)은 제 1 기능층과 같이 패턴없이 전면박막으로 형성한다. 제 2 기능층의 형성방법은 제 1 기능층의 내용을 참고할 수 있다.

마지막으로, 제 2 전극층(60)을 상기 제 2 기능층(50) 상에 형성시키되, 반대전극과의 연결을 위해 이동(shift)하여 형성한다. 즉, 도 5에서는 제 2 전극(60)이 인접 단위셀의 반대전극(20') 상부 쪽에 위치하도록 형성된다.

도 5에서는 앞에서 상술한 바와 같이, 제 1 전극층과 인접 단위셀의 제 2 전극층이 물리적으로 접촉되지 않을 수 있으며, 또한, 앞에서 상술한 바와 같이, 상기 기능층들이 제 1 전극층 상에 존재하여도 dense하지 않게 형성되는 경우에는 전극간의 물리적 접촉이 될 수 있다. 일예로서, 용액 공정을 이용하여 수나노에서 수십나노 두께의 얇은 박막의 기능층 (Metal Oxide, PEDOT:PSS 등)을 형성하는 경우에 pinhole 현상이 발생하여 전극간에 물리적 접촉이 있을 수 있다. 또 다른 경우는 박막을 건조하는 경우에 박막 내부에 남은 용매들이 증발하는 과정에서 박막에 구멍(기공)이 발생되는 경우도 있다.

상기 방법은 상기 제 1 기능층 및 제 2 기능층 중 어느 하나의 두께 또는 그 합의 두께가 제 1 전극층의 두께보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 앞에서 상술한 바와 같이 제 1 기능층이나 제 2 기능층이 두께가 얇더라도 고분자나 금속산화물의 특성상 제 1 전극의 옆면(측벽)에 형성될 수 있다.

도 6은 도 3의 유기태양전지 모듈을 제조하는 방법을 나타낸다. 앞에서 상술한 바와 같이 도 2의 구조는 상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층이 인접 단위셀의 제 1 기능층 및 제 2 기능층과 불연속 전면 박막을 형성하여 제 1 전극층과 인접 단위셀의 제 2 전극층이 물리적으로 접촉될 수 있다.

도 6은 도 4, 도5의 방법을 참고할 수 있다. 다만, 도 6에서는 제 1 기능층, 제 2 기능층이 제 1 전극(120, 120')의 측면을 덮지 못하여 제 1 전극층(120)과 인접 단위셀의 제 2 전극층(160')이 물리적으로 접촉하여 단위셀간의 전기적 연결이 가능하다. 도 6에서는 상기 제 1 기능층과 제 2 기능층 두께의 합이 제 1 전극층의 두께보다 얇게 형성한다.

본 발명에 사용가능한 기판(10)으로는 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타클릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에트르술폰 등의 투명재질이면 제한없이 사용할 수 있다.

제 1 전극(20, 20', 120, 120', 220) 및 제 2전극(60, 60', 160 160', 260)은 서로 대응되는 반대 전극으로서 제 1 전극이 양극전극이면 제 2 전극은 음극 전극일 수 있으며, 그 역도 가능하다. 바람직하게는 상기 제 1 전극이 양극전극일 수 있다. 상기 양극전극은 공지된 전극들을 제한없이 사용할 수 있으며, 일예로 ITO(INdium Tin Oxide), SnO2, IZO(In2O3-ZnO), AZO(aluminum doped ZnO), GZO(gallium doped ZnO), Graphene, CNT, Nanowire, Ag grid, Conducting polymer (PEDOT:PSS) 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 높은 일함수를 갖는 ITO(INdium Tin Oxide)로 코팅하면 좋다.

상기 제 2 전극층은 바람직하게는 제 1 전극층 보다 낮은 일함수를 갖는 금속일 수 있으며, 상기 제2 전극층은 Au, Al, Ag, Ca, Mg, Ba, Mo, Al-Mg 또는 LiF-Al 층일 수 있다. 물론 그 역도 가능하다.

본 발명에 사용되는 광활성층(40, 40', 140, 140', 240)은 공지된 것을 제한없이 사용할 수 있다. 일예로, 상기 광활성층은 전자수용체와 전자공여체가 혼합되어 존재하는 BHJ(bulk hetero-junction)구조이다. 또한 bilayer 타입을 사용할 수 있다.

상기 전자공여체는 반도체 고분자, 공액고분자, 저분자반도체 등의 공지된 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, PPV(poly(para-phenylene vinylene)계열의 물질, 폴리티오핀(polythiophene)유도체, 프탈로시아닌(pthalocyanine)계 물질 등을 사용할 수 있다. 구체적으로 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-

1,4-phenylene vinylene), DMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 일례로, 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 등이 있다.

상기 전자수용체로는 공지된 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 일예로, 전자 친화도가 큰 플러렌(C₆₀, C₇₀, C₇₆, C₇₈, C₈₂, C₉₀, C₉₄, C₉₆, C₇₂₀, C₈₆₀ 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-

PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, ThCBM(thienyl-C61-butyricacidmethylester) 등과 같은 플러렌 유도체들을 사용할 수 있다.

상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층은 정공 수송층 또는 전자수송층이 될 수 있다.

상기 정공수송층으로 이미 공지된 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, MTDATA, TDATA, NPB, PEDOT:PSS, TPD 또는 p-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 p-형 금속 산화물은 일 예로, MoO3 또는 V2O5일 수 있다. 또한, 상기 정공수송층으로 금속층의 자기조립 박막을 사용할 수 있다. Ni같은 물질을 증착하여 열처리 하여 형성된 자기조립박막을 기능층으로 사용할 수 있다.

상기 전자수송층(electron transfer layer, ETL)은 광활성층에서 생성된 전자가 인접한 전극으로 용이하게 전달되도록 한다. 상기 전자수송층은 공지된 재료를 제한없이 사용할 수 있으며, 일예로서, 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)(aluminium tris( 8-hydroxyquinoline), Alq3), 리튬플로라이드(LiF), 리튬착체(8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq), 비공액고분자, 비공액 고분자 전해질, 공액 고분자 전해질, 또는 n-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 n-형 금속 산화물은 일예로, TiOx, ZnO 또는 Cs2CO3 일 수 있다. 또한, 상기 전자수송층으로 금속층의 자기조립 박막을 사용할 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 유기태양전지 모듈은 적층형으로 제조될 수 있다. 도 7은 본 발명에 의한 적층형 유기태양전지 모듈의 제조개념도이다.

도 7을 참고하면, 기판(310) 상에 패턴화된 제 1 전극(320)을 형성하고, 그 위에 제 1 기능층(330)을 패턴없이 전면박막으로 형성한다. 이어서, 단위셀별로 패턴화된 광활성층(340)을 제 1 기능층(330)상에 형성하고, 그 위에 제 2 기능층(350)과 제 3 기능층(360)을 전면박막으로 형성할 수 있다. 제 3 기능층(360) 상에 다시 광활성층(370)을 패턴하여 형성한다. 상기 광활성층(370)상에 제 4 기능층(380)을 패턴없이 전면박막으로 형성한 후 그 위에 제 2 전극(390)을 형성한다. 상기 제 1 전극, 제 1 기능층, 제 2 기능층, 광활성층은 앞에서 상술한 것을 사용할 수 있다. 제 3 기능층(360) 및 제 4 기능층(390)은 제 1 기능층 또는 제 2 기능층을 참고할 수 있다. 또한, 도 7의 적층형 태양전지 모듈에서는 도 2 내지 도 6의 내용을 모두 참고할 수 있다. 특히, 적층형 태양전지 모듈에서도 전극층들 사이에 기능층들이 끼어 있는 구조가 있을 수 있는데, 이 경우 전하수송 특성이 좋은 기능층 물질을 사용하거나, 전하의 터널링 메카니즘 현상, 전자, 정공의 재결합(recombination) 현상, 핀홀 발생에 의한 전기적 접촉으로 전하를 이동시킬 수 있다.

일반적으로 적층형 태양전지는 광활성층을 추가함으로써 태양광의 넓은 스펙트럼 영역을 상당량 커버하여 고효율 태양전지를 만들 수 있으나, 하나의 광활성층을 가지는 구조보다 많은 층을 가지고 있어 각 층을 패턴하기 위한 기술적인 문제와 각 층을 이동(shift)시킴으로써 넓어지는 passive area 즉, dead zone 때문에 모듈효율이 떨어지는 문제가 있었다. 이에 반해, 도 7에 제시된 본 발명의 적층형 유기 태양전지 모듈 제조방법은 종래 적층형 구조에 비해 상대적으로 패턴해야 하는 층이 적고, dead존도 좁게 형성되므로 모듈 효율을 높일 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.

유기태양전지 모듈의 제조

유리기판 상에 ITO를 스퍼터링과 에칭을 사용하여 120nm 두께로 제 1 전극 패턴을 형성하였다. 그 위에 제 1 기능층으로 전자수송층(ETL)-Zinc oxide(ZnO)를 전면 스핀코팅 하여 15~20nm의 두께를 형성한뒤 공기중에서 150도에서 10분간 열처리 하였다. 다음으로, Chlorobenzene에 녹아있는 P3HT:PCBM 용액을 제 1 기능층 상에 Slot-die를 이용하여 130nm 정도의 두께로 패턴하여 코팅한 후 공기중에서 60도 5분 열처리한 후 질소 분위기에서 140도에서 5분간 열처리 하였다. 제 2 기능층으로 정공수송층(HTL)-Molybdenium oxide(MoO3)를 12nm 전면 열증착하였다. 다음으로 제 2 기능층 상에 Ag 전극을 패턴마스크를 사용하여 100nm 열증착시켰다. 광활성층과 제 2 전극은 왼쪽으로 이동(shift)시켜 패턴을 형성하였다.

비교예 1

실시예 1과 동일한 조건, 물질을 사용하여 유기태양전지 모듈을 제조하였으며, 다만, 비교예 1에서는 도 1과 같이 제 1 기능층과 제 2 기능층도 패턴을 형성하였으며, 셀2의 제 2 전극과 셀 1의 제 1 전극과의 접촉을 위해 모든 층들을 shift시켰다.

도 8은 실시예 1과 비교예 1의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.

하기 표 1은 실시예 1과 비교예 1의 광전인자를 측정한 값을 나타낸다.

구분	V OC (V)	Isc(mA)	FF	PCE(%)
실시예 1	1.70	6.00	0.44	1.50
비교예 1	1.68	5.85	0.34	1.11

도 8과 표 1을 참고하면, 실시예 1의 전류-전압 커브가 모든 층을 패턴하여 형성한 비교예 1과 거의 동일하다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 3개의 단위셀로 이루어진 실시예 1과 비교예 1의 총 전압이 1. 70V, 1.68V로서 거의 같은데, 이것은 실시예 1과 같이, 전자수송층과 정공수송층을 패턴하지 않고 전면적 박막으로 형성할 경우에도 각 단위셀들이 큰 저항없이 전기적으로 연결됨을 확인할 수 있다.

지금까지 본 발명의 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본질적인 특성에 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10, 110, 210 : 기판 20, 120, 220 : 제 1 전극층
30, 130, 230 : 제 1 기능층 40, 140, 240 : 광활성층
50, 150, 250 : 제 2 기능층 60, 160, 260 : 제 2 전극

Claims (12)

1. 기판 상에 복수개의 단위셀(cell)이 배열되는 유기태양전지 모듈로서, 상기 유기태양전지 모듈은 상기 기판 위에 단위셀별로 패턴된 제 1 전극층, 상기 제 1 전극층 상에 단위셀별로 패턴된 광활성층, 및 상기 광활성층 상에 단위셀별로 패턴된 제 2 전극층을 포함하고, 상기 유기태양전지 모듈은 상기 제 1 전극층과 광활성층 사이에 형성되는 제 1 기능층과 상기 광활성층 및 제 2 전극층 사이에 형성되는 제 2 기능층 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제 1 기능층 및 제 2 기능층은 단위셀별로 패턴되지 않고, 전면박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 단위셀의 제 1 기능층 또는 제 2 기능층은 인접 단위셀의 제 1 기능층 및 제 2 기능층과 연속 또는 불연속 전면박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 기능층 및 제 2 기능층 중 하나 이상이 인접 단위셀과 연속 전면 박막을 형성하여 제 1 전극층과 인접 단위셀의 제 2 전극층이 물리적으로 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈.
4. 제 2항에 있어서, 상기 유기태양전지 모듈이 상기 제 1 기능층 또는 제 1 기능층 중 어느 하나만 포함하는 경우, 상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층이 인접 단위셀과 불연속 전면 박막을 형성하여 제 1 전극층과 인접 단위셀의 제 2 전극층이 물리적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈.
5. 제 2항에 있어서, 상기 유기태양전지 모듈이 상기 제 1 기능층과 제 1 기능층을 포함하는 경우, 상기 제 1 기능층 및 제 2 기능층이 인접 단위셀과 불연속 전면 박막을 형성하여 제 1 전극층과 인접 단위셀의 제 2 전극층이 물리적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈.
6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층이 전도성 고분자, 금속산화물 또는 도핑된 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈.
7. 기판 상에 복수개의 단위셀(cell)이 배열되는 유기태양전지 모듈의 제조방법으로서, 상기 방법은
   상기 단위셀별로 패턴된 1 전극층을 상기 기판 상에 형성하는 단계 ;
   상기 제 1전극층과 기판 상에 제 1 기능층을 패턴하지 않고 전면박막으로 형성하는 단계 ;
   상기 단위셀별로 패턴된 광활성층을 상기 1 기능층 상에 형성하는 단계 ;
   상기 단위셀별로 패턴된 제 2 전극층을 상기 광활성층 상에 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지 모듈의 제조방법.
8. 기판 상에 복수개의 단위셀(cell)이 배열되는 유기태양전지 모듈의 제조방법으로서, 상기 방법은
   상기 단위셀별로 패턴된 1 전극층을 상기 기판 상에 형성하는 단계 ;
   상기 단위셀별로 패턴된 광활성층을 상기 제 1 전극층 상에 형성하는 단계 ;
   상기 광활성층과 상기 1 전극층 상에 제 2 기능층을 패턴하지 않고 전면박막으로 형성하는 단계 ;
   상기 단위셀별로 패턴된 제 2 전극층을 상기 제 2 기능층 상에 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지 모듈의 제조방법.
9. 제 7항에 있어서, 상기 방법은 상기 광활성층을 형성한 후에 제 2 기능층을 패턴하지 않고 전면박막으로 형성하고, 상기 제 2 기능층 상에 상기 단위셀별로 패턴된 제 2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지 모듈의 제조방법.
10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 제 1 기능층 및 제 2 기능층 중 하나 이상을 인접 단위셀의 대응되는 제 1 기능층 또는 제 2 기능층과 연속 전면 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈의 제조방법.
11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 제 1 기능층 또는 제 2 기능층이 인접 단위셀의 대응되는 제 1 기능층 또는 제 2 기능층과 불연속 전면 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈의 제조방법.
12. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 기능층 및 제 2 기능층이 인접 단위셀의 대응되는 제 1 기능층 및 제 2기능층과 불연속 전면 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 모듈의 제조방법
    

Images