KR20180117832A - 태양전지용 전극 구조체 및 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지용 전극 구조체에 관한 것으로, 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성되는 광학 박막; 및 상기 광학 박막 상에 형성되는 다층 투명전극;을 포함한다.

Description

태양전지용 전극 구조체 및 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양 전지{Electrode structure for solar sell and an organic solar cell including an electrode structure for solar sell}

본 발명은 태양전지용 전극 구조체 및 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기 태양전지의 전면에 배치되는 투명 기판과 상기 투명 기판과 광활성층 사이에 코팅되는 다층 투명전극의 투과율을 높이는 동시에 반사율을 낮추는 광학 박막을 포함하되, 상기 광학 박막은 SiO2의 단일 박막으로 이루어진 유기 태양 전지에 관한 것이다.

최근 지구온난화 등의 환경문제와 유가 상승 및 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 청정 신재생/대체 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다.

이러한 이유로 수소/연료전지, 태양전지, 풍력 등의 대체에너지원 개발에 많은 연구가 이루어지고 있으며, 그 중에서 에너지 자원량이 가장 많고 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이중, 태양전지는 광기전력 효과를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 소자로서, 독립적으로 각종 전자기기, 무인등대, 인공위성, 로켓 등의 주전력원으로 이용될 뿐만 아니라 상용 교류 전원의 계통과 연계되어 보조전력원으로도 널리 이용되고 있으며, 가정용 및 산업용 전력 생산을 위한 발전설비로서의 활용에도 큰 기대를 얻고 있다.

이러한 태양전지는 무기물 반도체를 기반으로 한 태양전지와 유기물 반도체를 기반으로 한 태양전지로 나눌 수 있다.

무기물 반도체를 기반으로 한 결정질 실리콘 태양전지는 현재 가정 및 상업용으로 설치하는 전력효율 15% 이상의 전지부터 우주선이나 무인위성 등에 사용되는 30% 이상의 전지까지 제작되고 있다.

하지만, 무기물 반도체를 기반으로 한 결정질 실리콘 태양전지는 그 제조공정의 복잡함과 높은 생산 단가, 그리고 대면적 공정의 어려움이 단점으로 지적되고 있다.

이에, 실리콘을 중심으로 한 무기 태양전지는 높은 변환효율을 갖지만, 제작공정 과정에 높은 비용이 들며, 무게 및 유연성에 한계를 지닌다.

이에 반하여, 유기물을 기반으로 하는 유기박막 태양전지는 대면적 공정이 용이하며 값싸고 간편한 공정으로 제작될 수 있고, 전체 소자의 두께가 수백 nm에 불과하여 무게와 두께, 형태에 제약이 적어 초소형 혹은 이동통신용 기기 등의 새로운 용도의 전원으로 응용 가능성과 함께 나아가 특유의 구부러지는 성질로 플렉서블한 전자소자에 응용될 수 있는 장점이 있다.

유기박막 태양전지에서 유기 반도체는 광자를 흡수하여 쿨롱 상호작용(Coulomb interaction)에 의한 전자-정공쌍(electron-hole pair)인 들뜸알(exciton)를 형성하고, 이것은 유기반도체 전자주개(donor)층과 전자받개(acceptor)층의 접합면(D/A interface)으로 확산 이동한다.

들뜸알은 접합면에서 전자와 정공으로 분리되고, 각각의 전극에 수송되어 기전력을 발생한다.

그러나, 들뜸알의 확산 길이는 약 10nm 전후로 짧으므로, 실제로는 주개와 받개의 접합면으로부터 약 10nm 거리의 범위 내에 있는 영역에서 생선된 들뜸알만 전하를 만들게 된다.

따라서, 유기박막 태양전지의 효율 향상에 있어서 들뜸알의 확산율은 중요한 요소 중의 하나이다.

한편, 유기박막 태양전지의 효율 향상을 위해서는 태양빛의 흡수율(Absorption efficiency)을 증대시킬 필요가 있고, 유기박막이 태양빛을 충분히 흡수하기 위해서는 필요한 두께는 약 100nm 전후로 보고되고 있다.

그러므로 높은 흡수율을 갖는 유기반도체는 낮은 들뜸알 확산율을 갖게 되고, 반대로 높은 들뜸알의 확산율을 갖는 유기반도체는 낮은 흡수율을 갖게 된다.

따라서, 이 두 가지 효율(태양빛의 흡수율과 들뜸알의 확산율) 사이의 경쟁으로 태양전지의 전력변환효율이 제한되며, 현재까지의 보고된 연구결과 중 최대 전력변환효율은 약 7% 정도이다.

본 발명은 기존 기술에서 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유기 태양전지에 적용되는 투명전극의 투과율을 향상시킬 수 있도록, 유기 태양전지의 전면에 배치되는 투명 기판과 상기 투명 기판과 광활성층 사이에 코팅되는 다층 투명전극의 투과율을 높이는 동시에 반사율을 낮추는 광학 박막을 포함하되, 상기 광학 박막은 SiO2의 단일 박막으로 이루어지는 태양전지용 전극 구조체 및 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 고투과 다층 투명 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 구조체 및 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 태양전지용 전극 구조체는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성되는 광학 박막; 및 상기 광학 박막 상에 형성되는 다층 투명전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 유기 태양 전지에 적용되는 투명기판에 광학박막을 삽입하여 투과율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 박막이 SiO2의 단일 박막으로 형성됨으로써, 유기 태양전지의 전면에 배치되는 투명 기판과 광활성층 사이에 코팅되는 다층 투명전극의 투과율을 높이는 동시에 반사율을 낮출 수 있게 되어 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 박막이 없는 다층 투명전극에 비하여 면저항 특성의 차이는 없지만, 표면 거칠기 특성이 우수한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 채용된 태양전지용 전극 구조체의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양 전지의 구조를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 채용된 태양전지용 전극 구조체의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 태양전지용 전극 구조체는 투명 기판(10), 광학 박막(11), 하부 산화물 박막(12), Ag 박막(13) 및 상부 산화물 박막(14)를 구비한 다층 투명전극(15)을 포함하여 이루어진다.

먼저, 투명 기판(10)은 가시광선에 대한 투과율이 우수하고 물리적 변형에 따른 유연성이 우수한 물질로 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판(10)은 태양 전지 및 디스플레이용으로 사용되는 반강화 유리 또는 PET(Polyethylene terephthalate), PP(Polypropylene), PE(Polyethylene) 등과 같은 플라스틱 필름층, 아크릴 수지 등으로 이루어진 플라스틱 시트 등으로 이루어지며, 사용 목적 및 요구에 따라 다양한 두께를 가지는 것을 사용한다. 이러한 투명 기판(10)은 80% 이상의 가시광선 투과율을 가지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 광학 박막(11)은 투명 기판(10)상에 구비되는 것으로, SiO2 단일 박막으로 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 채용된 광학 박막(11)의 두께는 60~120 nm로 이루어지며, 90 nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

상기 하부 산화물 박막(12)와 상부 산화물 박막(14)는 SnO2, ITO, ZnO 등의 다양한 산화물 및 이들 기반으로 하는 다양한 도핑 산화물을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 SnO2를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 하부 산화물 박막(12)와 산화물 박막(14)는 30~50nm로 이루어지며, 40nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 Ag 박막(13)의 두께는 6~16nm으로 이루어지며, 8~12nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 채용할 수 있는 SiO2, SnO2와 Ag의 증착 공정으로는 물리 기상 증착(physical vapor deposition; PVD), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD), 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 및 분자선 에피택시 증착(molecular beam epitaxy; MBE), 졸겔(sol-gel)법 등을 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 물리적 기상 증착 방식인 스퍼터 방식을 사용하는 것을 특징으로 하고 있으며, 이후 열처리를 수행하여, 보다 우수한 물성을 갖는 박막을 형성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 박막(11)이 SiO2의 단일 박막으로 형성됨으로써, 유기 태양전지의 전면에 배치되는 투명 기판과 광활성층 사이에 코팅되는 다층 투명전극의 투과율을 높이는 동시에 반사율을 낮출 수 있게 되어 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

< 실시 예 1 >

투명 기판(10)인 PET 기판상에 스퍼터 공정을 사용하여 90 nm 의 두께를 가지는 SiO2 광학 박막(11)을 형성하고, 상기 SiO2 광학 박막(11) 상에 40nm 의 두께를 가지는 SnO2 하부 산화물 박막(12)을 형성하고, 상기 SnO2 하부 산화물 박막상에 10nm의 두께를 가지는 Ag 박막(13)을 형성하고, 상기 Ag 박막(13) 상에 40 nm 의 두께를 가지는 SnO2 상부 산화물 박막(14)을 형성하여 광학 박막이 포함된 다층 투명전극을 제작하였다.

< 비교 예 1 >

투명 기판(10)인 PET 기판상에 40 nm 의 두께를 가지는 SnO2 하부 산화물 박막(11)을 형성하고, 상기 SnO2 하부 산화물 박막(12)상에 10nm의 두께를 가지는 Ag 박막(13)을 형성하고, 상기 Ag 박막(13) 상에 40nm의 두께를 가지는 SnO2 상부 산화물 박막(14)을 형성하여 광학 박막이 없는 다층 투명전극을 제작하였다.

<실시 예 1> 및 <비교 예 1>에서 제조된 필름으로 이하의 평가를 진행하여 표 1에 정리하였다.

	투과율(@550 nm) (%)	반사율(@550 nm) (%)	면저항 (Ω/□)	표면 거칠기 (nm)
실시 예 1	90.2	4.23	5.8	0.27
비교 예 1	87.9	6.01	5.8	0.41

상기 [표 1]에서 보는 바와 같이, <실시 예 1>로 제조된 광학 박막이 포함된 다층 투명전극은 <비교 예 1>로 제조된 광학 박막이 없는 다층 투명전극에 비하여 광 투과율이 향상되었으며 광 반사율은 감소하였다.

그뿐만 아니라, 상기 [표 1]에서 보는 바와 같이, <실시 예 1>로 제조된 광학 박막이 포함된 다층 투명전극은 <비교 예 1>로 제조된 광학 박막이 없는 다층 투명전극에 비하여 면저항 특성의 차이는 없지만, 표면 거칠기 특성이 우수한 장점이 있다.

따라서 광학 박막이 포함된 다층 투명전극이 적용되는 유기 태양 전지의 효율이 향상될 것으로 예상할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양 전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양전지는 투명 기판(10), 광학박막(11), 다층 투명전극(15), 광활성층(16) 및 금속 전극(17)을 포함하여 이루어진다.

투명 기판(10)은 가시광선에 대한 투과율이 우수하고 물리적 변형에 따른 유연성이 우수한 물질로 이루어진다. 이러한 투명 기판(10)은 80% 이상의 가시광선 투과율을 가지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 광학 박막(11)은 투명 기판(10)상에 구비되는 것으로, SiO2 단일 박막으로 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 채용된 광학 박막(11)의 두께는 60~120 nm로 이루어지며, 90 nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

상기 하부 산화물 박막(12)와 상부 산화물 박막(14)는 SnO2, ITO, ZnO 등의 다양한 산화물 및 이들 기반으로 하는 다양한 도핑 산화물을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 SnO2를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 하부 산화물 박막(12)와 산화물 박막(14)는 30~50nm로 이루어지며, 40nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 Ag 박막(13)의 두께는 6~16nm으로 이루어지며, 8~12nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

이후, 산화물 박막(14) 상에 광활성층(16)을 형성하고, 그 상부에 금속 전극(17)을 증착하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 박막(11)이 SiO2의 단일 박막으로 형성됨으로써, 유기 태양전지의 전면에 배치되는 투명 기판과 광활성층 사이에 코팅되는 다층 투명전극의 투과율을 높이는 동시에 반사율을 낮출 수 있게 되어 효율이 향상된 유기 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.

이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

10 : 투명 기판 11 : 광학박막
12 : 하부 산화물 박막 13 : Ag 박막
14 : 상부 산화물 박막 15 : 다층 투명전극
16 : 광활성층 17 : 금속 박막 전극

Claims (7)

1. 투명 기판;
   상기 투명 기판 상에 형성되는 광학 박막; 및
   상기 광학 박막 상에 형성되는 다층 투명전극;을 포함하는 태양전지용 전극 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광학 박막은,
   SiO2의 단일 박막인 태양전지용 전극 구조체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 광학 박막 SiO2의 두께는,
   60~120nm인 태양전지용 전극 구조체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 다층 투명 전극은,
   하부 SnO2 박막;
   상기 SnO2 박막 상에 형성되는 Ag 박막; 및
   상기 Ag 박막 상에 형성되는 상부 SnO2 박막을 포함하는 것인 태양전지용 전극 구조체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 Ag 박막의 두께는, 6~16 nm인 태양전지용 전극 구조체.
6. 제4항에 있어서,
   상기 SnO2 박막의 두께는, 30~50 nm인 태양전지용 전극 구조체.
7. 제 1항의 태양전지용 전극 구조체;
   상기 태양전지용 전극 구조체의 상기 다층 투명전극 상에 형성되는 광활성층; 및
   상기 광활성층 상에 형성되는 금속 전극을 포함하는 태양전지용 전극 구조체를 포함하는 유기 태양 전지.
   

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