KR20190003023A - 유기태양전지의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 유기태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 베이스 필름, 하부 전극층, 상부 전극층, 및 상기 하부 전극층 및 상부 전극층 사이에 위치한 광활성층을 포함하는 유기물층을 포함하는 유기태양전지의 제조방법으로서,
(A) 레이저 광을 조사하여 상기 유기물층을 패터닝하는 단계;
(B) 상기 (A)단계에서 형성된 패턴 상부에 열융착 필름을 위치시키는 단계;
(C) 상기 열융착 필름을 융착시켜 불순물을 결합시키는 단계; 및
(D) 상기 불순물이 결합된 열융착 필름을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 유기태양전지를 제공한다.
(A) 레이저 광을 조사하여 상기 유기물층을 패터닝하는 단계;
(B) 상기 (A)단계에서 형성된 패턴 상부에 열융착 필름을 위치시키는 단계;
(C) 상기 열융착 필름을 융착시켜 불순물을 결합시키는 단계; 및
(D) 상기 불순물이 결합된 열융착 필름을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 유기태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 유기태양전지의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 유기태양전지 에 관한 것이다.
유기태양전지의 경우, 투명전극과 양극 사이에 도너형과 억셉터형 유기반도체 재료를 광활성층으로 이용하는데, 유기재료의 특성상 분자구조를 자유자재로 변형할 수 있다는 장점으로 인해 고효율 신규 재료의 개발가능성이 매우 높고, 이를 통해 보다 우수한 효율의 유기태양전지를 제조할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
NREL의 보고에 의하면, 12% 효율의 실리콘 태양전지는 단위면적(m2)을 생산하는데, 420 kWh의 에너지가 소비되어 페이백 타임이 4년인데 반해, 5% 효율의 유기태양전지는 20 kWh의 에너지만 소비되어 페이백 타임 0.5년으로 줄어들 수 있다고 보고하고 있다. 더욱이, 1 GW급의 발전을 위해 실리콘 태양전지는 8,000 톤의 광활성층 재료가 소요되지만, 유기태양전지는 초박막 광활성층으로 3.4톤의 재료만이 소요되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 궁극적으로 플렉서블 기판을 이용한 롤투롤 공정을 구현 할 경우, 기존 무기계 태양전지에서는 상상할 수 없는 획기적인 원가절감이 가능할 것으로 기대되어 최근 대기업들도 기술개발 참여가 가시화되고 있다.
이러한 유기태양전지의 경우, 효율 개선을 위한 단위셀(소자) 스케일의 연구가 주를 이루고 있으나. 결국 제품화를 고려한 양산 관점에서 모듈 스케일의 다양한 기술개발이 절실한 현실이다. 그러나 대부분의 종래 패터닝 방식들은 반도체 공정의 리소그라피 공정을 채용한 것이어서 공정의 효율 및 가격 경쟁 측면에서 대량생산이라는 유기태양전지의 가장 큰 장점을 상쇄하는 요인으로 작용되고 있다.
나아가, 종래의 유기태양전지의 제조는 불연속적인 공정의 조합에 의하여 이루어지고 있어, 공정 효율 및 대량 생산 체제의 조기 실현을 위해서 연속적인 공정 개발의 필요성이 높아지고 있다. 또한, 연속 공정을 수행하더라도 스트라이프 패턴 정도의 단순 패턴만을 실현할 수 있을 뿐이어서 유기태양전지의 효율 향상을 위하여 요구되는 다양한 패턴을 구현하지 못하는 한계를 나타내고 있다. 따라서 이러한 문제의 극복을 위한 기술개발이 요구되고 있다.
본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 레이저 광을 조사하여 광활성층을 포함하는 유기물층의 패턴을 형성하는 공정을 집중 연구하였다. 그리고 그 과정에서 상기와 같이 유기물층의 패턴을 형성하는 경우, 유기물층이 탄화되면서 생성되는 탄화물이 불순물로 기판에 잔류하여 하부 전극과 상부 전극을 연결시킬 때, 컨택저항을 상승시키는 문제를 야기하는 것을 발견하게 되었다.
그러므로 본 발명은 유기태양전지의 제조에 있어서, 레이저 광을 사용하여 유기물층의 패터닝을 실시하는 경우 발생하게 되는 탄화물 등의 불순물을 효율적으로 제거할 수 있는 방법을 포함하는 유기태양전지의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조되는 효율이 우수한 유기태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 베이스 필름, 하부 전극층, 상부 전극층, 및 상기 하부 전극층 및 상부 전극층 사이에 위치한 광활성층을 포함하는 유기물층을 포함하는 유기태양전지의 제조방법으로서,
(A) 레이저 광을 조사하여 상기 유기물층을 패터닝하는 단계;
(B) 상기 (A)단계에서 형성된 패턴 상부에 열융착 필름을 위치시키는 단계;
(C) 상기 열융착 필름을 융착시켜 불순물을 결합시키는 단계; 및
(D) 상기 불순물이 결합된 열융착 필름을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 유기태양전지의 제조방법은 상기 (C)단계에서 열융착 필름의 융착이 (A)단계의 패터닝 시 레이저가 조사되었던 부분에 위치된 열융착 필름의 상부에 레이저 광을 조사하여 부분융착 방식으로 실시되게 하는 특징을 가질 수 있다.
또한, 상기 방법은 불순물을 결합시킨 후 냉각시키는 특징을 가질 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 유기물층이 전자수송층(ETL), 광활성층, 및 정공수송층(HTL)을 포함하는 특징을 가질 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 열융착 필름으로 용융온도가 50~250℃인 것을 사용하는 특징을 가질 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 (A)단계의 유기물층 패터닝 단계 전에 하부 전극층의 상부에 유기물층을 적층하는 단계를 더 포함하는 특징을 가질 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 유기물층을 적층하는 단계 전에 하부 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는 특징을 가질 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 하부 전극층이 ITO로 형성되는 특징을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 제조방법으로 제조된 유기태양전지를 제공한다.
본 발명은 유기태양전지의 제조에 있어서, 레이저 광을 사용하여 유기물층의 패터닝을 실시하는 경우 발생하게 되는 탄화물 등의 불순물을 하부전극이나 베이스 필름을 손상시키지 않고 효율적으로 제거할 수 있는 방법을 포함하는 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 유기태양전지의 제조방법에 의하면, 하부전극과 상부전극을 연결시킬 때, 탄화물에 의한 접촉저항 상승을 방지할 수 있어서 우수한 효율을 갖는 유기태양전지를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 유기태양전지의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 유기태양전지의 제조방법에서 실시될 수 있는 하부 전극의 형성과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 유기태양전지의 제조방법에서 실시될 수 있는 유기물층의 적층과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 유기태양전지의 제조방법에서 실시될 수 있는 레이저 패터닝, 열융착 필름의 융착, 및 그의 제거 공정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 유기태양전지의 제조방법에서 실시될 수 있는 하부 전극의 형성과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 유기태양전지의 제조방법에서 실시될 수 있는 유기물층의 적층과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 유기태양전지의 제조방법에서 실시될 수 있는 레이저 패터닝, 열융착 필름의 융착, 및 그의 제거 공정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
아래 설명과 도면은 당업자가 설명되는 장치와 방법을 용이하게 실시할 수 있도록 특정 실시예를 예시한다. 다른 실시예는 구조적, 논리적으로 다른 변형을 포함할 수 있다. 개별 구성 요소와 기능은 명확히 요구되지 않는 한, 일반적으로 선택될 수 있으며, 과정의 순서는 변할 수 있다. 몇몇 실시예의 부분과 특징은 다른 실시예에 포함되거나 다른 실시예로 대체될 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 유기태양전지의 제조방법을 설명한다.
본 발명은, 도 1에 예시된 바와 같이, 베이스 필름(10), 하부 전극층(20), 상부 전극층(60), 및 상기 하부 전극층 및 상부 전극층 사이에 위치한 광활성층(40)을 포함하는 유기물층(30~50)을 포함하는 유기태양전지의 제조방법으로서, 도 4에 예시된 바와 같이,
(A) 레이저 광을 조사하여 상기 유기물층(30~50)을 패터닝하는 단계;
(B) 상기 (A)단계에서 형성된 패턴 상부에 열융착 필름(70)을 위치시키는 단계;
(C) 상기 열융착 필름(70)을 융착시켜 불순물을 결합시키는 단계; 및
(D) 상기 불순물이 결합된 열융착 필름(70)을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
상기 (A)단계에서 레이저 광을 조사하여 상기 유기물층(30~50)을 패터닝하는 단계는 레이저 광을 조사하여 유기물층의 일부분을 미리 정해진 패턴으로 스크라이빙하는 방식으로 이루어진다. 이때 유기물이 탄화되어 잔류물이 형성되기도 한다. 상기 (C)단계에서 불순물은 주로 상기 탄화되어 기판 상에 잔류된 탄화물을 의미한다. 상기 잔류 탄화물은 하부 전극층(20)과 상부 전극층(60)에 의하여 형성되는 하부 전극 및 상부 전극을 연결시킬 때, 컨택저항을 높게 만드는 주원인이 되므로, 상기 잔류 탄화물의 제거 공정은 유기태양전지의 효율에 매우 중요한 영향을 미친다.
상기 (C)단계에서 용융된 열융착 필름(70)을 불순물과 결합시키기 위하여, 냉각을 시킬 수 있다. 이 때의 냉각은 이 분야에 공지된 다양한 방법에 의해 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각은 상온에서 공냉에 의해 이루어질 수 있다.
상기에서 레이저 광을 조사하기 위한 장치로는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 레이저 조사 장치가 사용될 수 있다. 상기 레이저 조사 장치에서 조사되는 레이저 광은 패터닝할 유기물층의 소재, 두께 등을 고려하고, 유기물층 하부의 하부 전극층(20) 및 베이스 필름(10)의 손상 등을 고려하여 파장, 조사시간, 진동수, 출력 등을 정밀하게 조절하여 사용해야 한다.
예를 들어, 본 발명의 유기물층의 패터닝은 출력1~30W, 파장 1064nm, 진동수 200~800KHz의 레이저 광을 1000~3000mm/sec의 속도로 조사하여 수행할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (C)단계에서 상기 열융착 필름(70)의 융착은 열융착 필름에 열을 가하여 필름을 용융시키는 방식을 수행할 수 있다. 상기에서 열원은 특별히 한정되지 않으며 이 분야에서 공지된 열원이 모두 사용될 수 있다.
상기 (C)단계의 열융착 필름(70)을 융착시켜 불순물을 결합시키는 단계는 불순물, 예컨대, 레이저 광에 의한 유기물층(30~50)의 스크라이빙에 의해 형성되는 탄화물을 리프트-오프(lift-off) 하기 위하여 실시된다.
상기 (C)단계에서 열융착 필름(70)의 융착은, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, (A)단계의 패터닝 시 레이저가 조사되었던 부분에 위치된 열융착 필름의 상부에 레이저 광을 조사하여 부분융착 방식으로 실시되는 것이 더욱 바람직하다. 왜냐하면, 만약, 열융착 필름(70)을 패턴이 형성된 모든 부분에 융착시키는 경우, 열융착 필름을 제거할 때 유기물층(30~50) 패턴이 함께 제거될 염려가 존재하기 때문이다.
상기에서 사용되는 레이저 장치로는 전술된 레이저 장치를 사용할 수 있으며, 이 때는 열융착 필름의 용융 온도, 하부 전극층(20)의 손상, 베이스 필름의 손상 등을 고려하여 파장, 조사시간, 진동수, 출력 등을 정밀하게 조절하여 사용해야 한다. .
예를 들어, 상기 열융착 필름의 용융은 출력10~30W, 파워(세기) 3 내지 20%, 파장 1064nm, 진동수 100 내지 500KHz의 레이저 광을 1000~4000mm/sec의 속도로 조사하여 수행할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기물층(30~50)은, 도 1및 도 3에 예시된 바와 같이, 전자수송층(10), 광활성층(20), 및 정공수송층(30)을 포함할 수 있다.
상기 전자수송층(10), 광활성층(20), 및 정공수송층(30)을 구성하는 소재로는 이 분야에서 공지되어 있는 성분들이 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 열융착 필름은 용융온도가 50~250℃인 것을 사용할 수 있다. 상기 용융온도가 50℃ 미만일 경우 상온에서 융착될 가능성이 발생하며, 250℃를 초과하는 경우, 하부 전극층(20)에 손상을 가할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 예를 들어, ITO의 경우 270℃ 결정화 온도를 갖는다. 상기 열융착 필름의 구체적인 예로는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 등을 들 수 있다.
본 발명의 유기태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 (A)단계의 유기물층 패터닝 단계 전에는, 도 3에 예시된 바와 같이, 하부 전극층의 상부에 유기물층을 적층하는 단계가 수행될 수 있다. 이 경우, 전자수송층(10), 광활성층(20), 및 정공수송층(30)이 이 순서대로 적층될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전자수송층(10) 및 정공수송층(30)의 형성은 필수적으로 요구되는 것은 아니나, 유기태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 형성된다. 전자수송층(10) 및 정공수송층(30)의 소재로는 유기화합물이 사용되며 이 분야에 공지된 성분이 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 광활성층(20)을 형성하는 소재는 특별히 한정되지 않으나, 대표적으로 PEDOT:PSS 등이 사용될 수 있다.
상기 유기물층 적층 단계 전에는, 도 2에 예시된 바와 같이, 하부 전극층(20)을 형성하는 단계가 더 수행될 수 있다. 즉, 상기 하부 전극층(20)의 형성은 이 분야에 공지된 다양한 방법으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 베이스 필름(10) 상부에 하부 전극층(20)을 형성하기 위한 박막을 형성하고, 포토리소그래피 공정에 의한 습식공정으로 전극 패턴을 형성할 수 있다.
상기 하부 전극층(20)은 ITO, IZO 등의 소재로 형성될 수 있으며, 이들로 한정되는 것을 아니다.
상기 베이스 필름(10)으로는 이 분야에서 공지된 필름이 제한 없이 사용될 수 있다. 플랙시블 유기태양전지의 경우에는 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 필름 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 유기태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 (D) 상기 불순물이 결합된 열융착 필름(70)을 제거하는 단계;가 완료된 후에 상기 유기물층(30~50) 상부에 상부 전극층(60)을 형성할 수 있다. 상기 상부 전극층(60)의 형성은 이 분야에 공지된 방법으로 수행될 수 있다. 상기 상부 전극층(60)의 소재로는 특별히 제한되지 않으며, Ag, Au, Al, Cu 등이 사용될 수 있다.
상기 상부 전극층(60)의 형성 후, 각 셀에 대한 단락 여부를 검사 한 후, 필요한 조치를 취하고 집전패턴을 형성한다. 상기 집전패턴은 각 모듈간의 상부전극과 하부전극의 연결 방법에 따라 직렬 또는 병렬로 형성될 수 있다.
상부 전극이 형성된 기판의 표면에는 마지막으로 보호층을 형성한다.
또한, 본 발명은 상기 유기태양전지의 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지에 관한 것이다. 상기와 같은 유기태양전지는 열융착 필름의 융착 공정에 의해 불순물인 탄화물이 효율적으로 제거되므로 하부 전극과 상부 전극 간의 접촉성이 우수하여 뛰어난 내구성 및 우수한 효율을 제공한다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련되어 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
실시예
[실시예 1]
베이스 필름(PET, 125㎛), 하부 전극층(ITO), 상부 전극층(Ag), 및 상기 하부 전극층 및 상부 전극층 사이에 위치한 광활성층을 포함하는 유기물층(P3TH:PCBM)을 포함하는 유기태양 전지용 적층물을 준비하였다.
상기 적층물 상에 파이버 레이저(IPG社)를 사용하여 5W의 출력으로 패터닝을 실시하였다. 상기 패터닝된 기판 상에 존재하는 탄화 Active layer 상에 EVA 필름을 위치시킨 후, 파이버 레이저를 사용하여 20W의 출력에서 5%의 파워로 조사하였다. 상기 EVA 필름을 1분간 냉각을 한 후, 상기 탄화 Active layer 상의 불순물이 결합된 EVA 필름을 제거하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
[실시예 2]
파이버 레이저를 8%의 세기로 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
[실시예 3]
파이버 레이저를 15%의 세기로 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예
1. 시인성 확인
상기 제조된 실시예 1 내지 3의 유기 태양 전지의 패터닝된 부분에 잔존하는 탄화 Active layer 층의 불순물이 존재하는지를 관찰하였다.
관찰 결과, 실시예 1 내지 3의 경우, 탄화 Active layer 층의 불순물이 제거가 되는 것을 알 수 있었으며, 특히 실시예 2 내지 3의 경우, 실시예 1에 비하여 불순물의 제거가 잘 된 것을 알 수 있었다.
2. ITO/
Ag
Contact 저항의 감소
상기 제조된 실시예 1 내지 3의 유기 태양 전지에 대하여, 실제 Module(100*100mm*10Series)을 제작하여 Module의 Series저항을 측정하였다.
| 저항 | |
| 실시예 1 | 150Ω |
| 실시예 2 | 42Ω |
| 실시예 3 | 45Ω |
실시예 1 내지 3의 접촉 저항 측정 결과에서와 같이, 유기 태양 전지에 사용하기에 적절한 접촉 저항 값을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
10: 베이스 필름
20: 하부 전극층
30: 전자전달층(ETL) 40: 광활성층
50: 정공수송층(HTL) 60: 상부 전극층
70: 열융착 필름 80: 유기물층에 의해 생성된 탄화물
90: 레이저 광
30: 전자전달층(ETL) 40: 광활성층
50: 정공수송층(HTL) 60: 상부 전극층
70: 열융착 필름 80: 유기물층에 의해 생성된 탄화물
90: 레이저 광
Claims (7)
- 베이스 필름, 하부 전극층, 상부 전극층, 및 상기 하부 전극층 및 상부 전극층 사이에 위치한 광활성층을 포함하는 유기물층을 포함하는 유기태양전지의 제조방법으로서,
(A) 레이저 광을 조사하여 상기 유기물층을 패터닝하는 단계;
(B) 상기 (A)단계에서 형성된 패턴 상부에 열융착 필름을 위치시키는 단계;
(C) 상기 열융착 필름을 융착시켜 불순물을 결합시키는 단계; 및
(D) 상기 불순물이 결합된 열융착 필름을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (C)단계에서 열융착 필름의 융착은 (A)단계의 패터닝 시 레이저가 조사되었던 부분에 위치된 열융착 필름의 상부에 레이저 광을 조사하여 부분융착 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (C)단계에서 상기 불순물을 결합시킨 후 냉각시키는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 유기물층은 전자수송층(ETL), 광활성층, 및 정공수송층(HTL)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열융착 필름은 용융온도가 50~250℃인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 하부 전극층은 ITO로 형성된 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법. - 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항의 방법으로 제조된 유기태양전지.
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-
2017
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