KR20190118379A - 다층 투명 전극 및 이를 포함하는 유기 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기 태양전지의 전면에 배치되는 투명기판과 상기 투명기판과 광활성층 사이에 개재되는 다층 투명전극의 투과율을 높이는 동시에 반사율을 낮추는 광학 박막을 포함하되, 상기 광학 박막은 SiO2 단일 박막 또는 MgF2의 단일 박막으로 이루어지는 것을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 고투과 다층 투명 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.

Description

다층 투명 전극 및 이를 포함하는 유기 태양전지{MULTILAYER TRANSPARENT ELECTRODES AND ORGANIC SOLAR CELLS HAVING THE SAME}
본 발명은 유기 태양전지에 사용되는 다층 투명전극에 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 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
태양전지는 광기전력 효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 주는 소자로서, 독립적으로 각종 전자기기, 무인등대, 인공위성, 로켓 등의 주전력원으로 이용될 뿐만 아니라 상용교류전원의 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 태양전지로, 현재 가정 및 상업용으로 설치하는 전력효율 15% 이상의 전지부터 우주선이나 무인위성 등에 사용되는 30% 이상의 전지까지 제작되고 있다. 하지만, 결정질 실리콘의 제조공정의 복잡함과 높은 생산 단가, 그리고 대면적 공정의 어려움은 그 단점으로 지적되고 있다. 또한, 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)층 과 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.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 전력변환효율을 제공하는 유기 태양전지용 투명 전극을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유기 태양 전지에 적용되는 투명 전극에 광학 박막을 삽입하여 투과율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 유기 태양전지의 효율을 향상 시키는 방법에서 착안된 고투과 다층 투명전극에 대한 것이다.
상기 유기 태양전지는 투명기판 상에 배치되는 상기 광학 박막; 상기 광학 박막 상에 배치되는 다층 박막; 상기 다층 박막 상에 배치되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 배치된 금속 전극 박막을 포함한다.
상기 광학 박막은 SiO2 또는 MgF2의 단일 물질 박막일 수 있다.
상기 다층 박막은 상기 광학 박막 상에 배치되는 ZnO 계열의 하부 산화물 박막; 상기 하부 산화물 박막 상에 배치되는 Ag계열의 금속 박막; 상기 금속 박막 상에 배치되는 ZnO 계열의 상부 산화물 박막을 포함하여, 산화물/금속/산화물 구조를 갖는다.
상기 산화물은 ZnO, SnO2, ITO 등의 다양한 산화물 및 이들 기반으로 하는 다양한 도핑 산화물을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 ZnO를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 하부 산화물 박막과 상부 산화물 박막은 30 내지 50 nm의 두께를 가지며, 본 발명에서는 40 nm의 동일한 두께를 가지는 것이 바람직하다.
상기 Ag계열의 금속박막은 안정적인 전기적 전도 특성을 고려하여 8 내지 12 nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 ZnO, SiO2 또는 MgF2와 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 있으며, 본 발명에서는 물리적 기상 증착 방식을 스퍼터 방식을 사용하는 것을 특징으로 하고 있으며, 이후 열처리를 통하여 보다 우수한 물성을 갖는 박막을 형성할 수 있다.
상기 투명 기판은 가시광선에 대한 투과율이 우수하고 물리적 변형에 따른 유연성이 우수한 물질로 이루어지며, 예를 들어 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 이루어질 수 있으며, 사용 목적 및 요구에 따라 다양한 두께를 가지는 것을 사용한다. 이러한 투명 기판은 80 % 이상의 가시광선 투과율을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 유기 태양 전지에 적용되는 투명 전극에 광학 박막을 삽입하여 투과율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 유기 태양전지의 전력변환효율을 향상시킬 수 있다.
유기 태양전지의 전면에 배치되는 투명기재와 상기 투명기재와 광활성층 사이에 코팅되는 다층 투명전극의 투과율을 높이는 동시에 반사율을 낮추는 광학 박막을 포함하되, 상기 광학 박막은 SiO2 단일 박막 또는 MgF2의 단일 박막으로 이루어지는 것을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 고투과 다층 투명 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 효율을 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층 투명전극의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층 투명전극이 적용된 유기 태양전지 구조의 단면도이다.
본 발명의 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 발명의 다양한 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는“포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 개시(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 "또는" 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한 다. 예를 들어, "A 또는 B"는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 태양전지용 투명 전극에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층 투명전극의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층 투명전극(15)은 투명 기판(10), 상기 투명 기판(10) 상에 배치되는 광학 박막(11) 및 상기 광학 박막(11) 상에 배치되는 다층 박막(15)을 포함한다.
투명 기판(10)
상기 투명 기판(10)은 가시광선에 대한 투과율이 우수하고 물리적 변형에 따른 유연성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 투명 기판(10)의 재질은, 예를 들면, 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 이루어질 수 있다.
상기 투명 기판(10)은 사용 목적 및 요구에 따라 다양한 두께를 가지는 것을 사용한다. 이러한 투명 기판은 80 % 이상의 가시광선 투과율을 가지는 것이 바람직하다.
광학 박막(11)
상기 광학 박막(11)은 이산화 규소(SiO2) 또는 불화 마그네슘(MgF2) 재질의 단일 박막일 수 있다.
SiO2 재질의 단일 박막을 사용할 경우, 상기 광학 박막(11)의 두께는 제한되지 않으나, 바람직하게는 60~100 nm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 80 nm일 수 있다.
MgF2 단일 박막을 사용할 경우, 상기 광학 박막(11)의 두께는 제한되지 않으나, 바람직하게는 60~80 nm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 70 nm일 수 있다.
다층 박막(15)
다층 박막(15)은 상기 광학 박막(11) 상에 순차적으로 적층되는 상기 하부 산화물 박막(12), 상부 산화물 박막(14) 및 상기 하부 산화물 박막(12)과 상기 상부 산화물 박막(14) 사이에 개재되는 금속 박막(13)을 포함한다.
상기 하부 산화물 박막(12)와 상부 산화물 박막(14)은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 인듐틴옥사이드(ITO: Indium Tin Oxide) 등의 다양한 산화물 및 이들 기반으로 하는 다양한 도핑 산화물을 이용할 수 있으나, 본 발명의 실시 예에서는 ZnO를 사용하는 것으로 가정한다.
ZnO 계열의 상기 하부 산화물 박막(12)와 상기 상부 산화물 박막(14)의 두께는 제한되지 않으나, 바람직하게는 30~50 nm, 보다 바람직하게는 40 nm일 수 있다.
상기 금속 박막(13)은 Ag 계열의 박막(또는, Ag 박막)으로서, 그 두께는 제한되지 않으나 바람직하게는 6~16 nm, 더욱 바람직하게는 8~12 nm일 수 있다.
상기 ZnO, SiO2(또는 MgF2)와 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.
본 발명의 실시 예에서는 물리적 기상 증착 방식의 한 종류인 스퍼터 방식을 사용하는 것을 특징으로 하고 있으며, 이후 열처리를 통하여 보다 우수한 물성을 갖는 박막을 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층 투명전극이 적용된 유기 태양전지 구조의 단면도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 다층 투명전극(15)는 투명 기판(10) 및 상기 투명 기판(10) 상에 순차적으로 적층되는 광학박막(11), 다층 박막(15: 12, 13 및 14), 광활성층(16, photo active layer), 및 금속 박막 전극(17)을 포함한다.
광활성층(16)은 반도체성 고분자와 플러렌 유도체가 함께 녹아있는 용액을 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 인쇄(screen printing), 드롭 캐스팅(drop casting), 도장법(stamp method), 닥터 블레이드(doctor blade), 롤투롤 (rollto-roll) 중 선택된 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
금속 박막 전극(17)은 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF(Radio Frequency) 스퍼터링 또는 마그네트론 스퍼터링법 등에 의해 형성될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
< 실시 예 1 >
PET 기판 상에 스퍼터 공정을 사용하여 80 nm 의 두께를 가지는 SiO2 계열의 광학 박막(이하, SiO2 광학 박막)을 증착하고, 상기 SiO2 광학 박막 상에 40 nm의 두께를 가지는 ZnO 계열의 하부 산화물 박막(이하, ZnO 하부 산화물 박막)을 증착하고, 상기 ZnO 하부 산화물 박막 상에 10 nm의 두께를 가지는 Ag 계열의 금속 박막(이하, Ag 박막)을 증착하고, 상기 Ag 박막 상에 40 nm 의 두께를 가지는 ZnO 상부 산화물 박막을 증착하여 광학 박막이 포함된 다층 투명전극을 제작하였다.
< 실시 예 2 >
PET 기판 상에 스퍼터 공정을 사용하여 70 nm 의 두께를 가지는 MgF2 계열의 광학 박막(이하, MgF2 광학 박막)을 증착하고, 상기 MgF2 광학 박막 상에 40nm 의 두께를 가지는 ZnO 계열의 하부 산화물 박막(이하, ZnO 하부 산화물 박막)을 증착하고, 상기 ZnO 하부 산화물 박막 상에 10 nm 의 두께를 가지는 Ag 박막을 증착하고, 상기 Ag 박막 상에 40 nm 의 두께를 가지는 ZnO 상부 산화물 박막을 형성하여 광학 박막이 포함된 다층 투명전극을 제작하였다.
< 비교 예 1 >
PET 기판 상에 40 nm 의 두께를 가지는 ZnO 하부 산화물 박막을 형성하고, 상기 ZnO 하부 산화물 박막상에 10 nm 의 두께를 가지는 Ag 박막을 형성하고, 상기 Ag 박막 상에 40 nm 의 두께를 가지는 ZnO 상부 산화물 박막을 형성하여 광학 박막이 없는 다층 투명전극을 제작하였다.
실시 예 및 비교 예에서 제조된 필름으로 투과율, 반사율, 면저항 및 표면 거칠기 항목에 대한 평가를 진행하여 그 평가 결과를 아래의 표 1에 정리하였다.
투과율
(@550 nm)(%)		 반사율
(@550 nm)(%)		 면저항
(Ω/□)		 표면 거칠기
(nm)
실시 예 1 90.43 4.21 5.8 0.34
실시 예 2 90.98 4.09 5.8 0.36
비교 예 1 87.9 6.01 5.8 0.41
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시 예 1에 따라 제조된 광학 박막이 포함된 다층 투명전극은 비교 예 1에 따라 제조된 광학 박막이 없는 다층 투명전극에 비하여 광 투과율이 향상되었으며 이에 따라 광 반사율은 감소하였다.
또한 상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시 예 1에 따라 제조된 광학 박막이 포함된 다층 투명전극은 비교 예 1에 따라 제조된 광학 박막이 없는 다층 투명전극에 비하여 면저항 특성의 차이는 없지만, 표면 거칠기 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
따라서 광학 박막이 포함된 다층 투명전극이 적용되는 유기 태양 전지의 효율이 향상될 것으로 예상할 수 있다.
이상 광학 박막이 적용된 다층 투명전극과 이를 적용한 유기 태영전지에 대하여 설명하였다. 본 발명은 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 다양한 수정 및 변형을 통해 적용이 가능하다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 유기 태양전지에 사용되는 다층 투명 전극에서,
    투명 기판;
    상기 투명 기판상에 배치되는 광학 박막; 및
    상기 광학 박막 상에 배치되는 다층 박막;
    을 포함하는 다층 투명전극.
  2. 제1항에서, 상기 광학 박막은,
    SiO2 또는 MgF2 계열의 단일 박막인 것인 다층 투명전극.
  3. 제2항에서, 상기 SiO2 계열의 단일 박막은,
    60~100 nm의 두께인 것인 다층 투명전극.
  4. 제2항에서, 상기 MgF2 계열의 단일 박막은,
    60~80 nm의 두께인 것인 다층 투명전극
  5. 제1항에서, 상기 다층 박막은,
    상기 광학 박막 상에 배치되고, ZnO 계열의 하부 산화물 박막;
    상기 하부 산화물 박막 상에 배치되고, Ag 계열의 금속 박막;
    상기 금속 박막 상에 배치되고, ZnO 계열의 상부 산화물 박막
    을 포함하는 다층 투명전극.
  6. 제5항에서, 상기 금속 박막은,
    6~16nm의 두께인 것인 다층 투명전극.
  7. 제5항에서, 상기 하부 산화물 박막 및 상기 상부 산화물 박막은,
    30~50nm의 두께인 것인 다층 투명전극.
  8. 제1항 내지 제7항 중에서 어느 한 항의 다층 투명전극을 포함하는 유기 태양전지로서,
    상기 다층 박막 상에 배치되는 광활성층(photo active layer) 및
    상기 광활성층 상에 배치되는 금속 박막 전극
    을 포함하는 유기 태양전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230060272A (ko) * 2021-10-27 2023-05-04 인천대학교 산학협력단 다중층의 전면전극을 갖는 투명태양전지 및 그 제조방법

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KR20230060272A (ko) * 2021-10-27 2023-05-04 인천대학교 산학협력단 다중층의 전면전극을 갖는 투명태양전지 및 그 제조방법

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