WO2012081759A1 - 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법 - Google Patents

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solar cell
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thin film
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황준영
강정진
조영준
이낙규
강경태
이성호
황철진
강희석
유경훈
이상호
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Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an organic thin film solar cell having a channel structure, and more particularly, to a method for manufacturing a solar cell that can easily solve defects and compensate for defects according to the manufacture of a substrate composed of independent cells, and can simplify the manufacturing process. .
  • solar cells are attracting attention as a new energy source because they use sunlight that can be infinite.
  • Most of the solar cells currently in practical use are inorganic solar cells using monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon.
  • these inorganic silicon solar cells have a drawback that their manufacturing process is complicated and their cost is high. Therefore, these inorganic silicon solar cells are not widely used for general household use.
  • a solar cell uses the photovoltaic effect of a semiconductor and is made by combining a p-type semiconductor and an n-type semiconductor.
  • the electrons of the n-type semiconductor diffuse into the p-type semiconductor due to the concentration difference of impurities. Holes diffuse from p-type to n-type.
  • the energy of electrons in the conduction band of the p-type semiconductor is narrower than that of the n-type semiconductor, and the energy of holes in the valence band of the n-type semiconductor is higher than that of the p-type semiconductor. Is generated.
  • a solar cell manufacturing method using a conventional printing method such as inkjet, forming a positive electrode pattern on the surface of the substrate, forming a conductive polymer layer on a portion of the surface of the substrate on which the positive electrode pattern is formed, the positive electrode pattern and the conductive polymer Forming an organic photoelectric layer on the surface of the substrate, and forming a negative electrode pattern on a portion of the organic photoelectric layer, wherein each of the steps is performed through a printing method.
  • Manufacturing methods are known.
  • the present invention for solving the above problems in the solar cell manufacturing method using a printing method, to improve the ease and reliability of manufacturing, to solve the manufacturing defects of each cell and to provide a solar cell manufacturing method that is easy to complement the There is a purpose.
  • a method of manufacturing a substrate by patterning such that horizontal walls are formed side by side at predetermined intervals on the prepared substrate surface, and forming a lower electrode (anode) on the surface on which the substrate wall surface is formed.
  • the electrode pattern Forming a buffer layer on the surface, forming an active layer (organic photoelectric layer) on the surface of the buffer layer, forming an electron accepting layer on the surface of the active layer, and forming an upper electrode (cathode) pattern on the surface of the electron receiving layer; Characterized in that comprises a.
  • the substrate the glass temperature is 250 degrees Celsius or less, characterized in that provided with a transparent film.
  • the step of manufacturing the substrate the step of mounting the stamper and the substrate with the wall surface formed in the molding machine in the chamber, the step of converting the chamber into a vacuum state and the heating temperature and pressing force so that the wall pattern formed on the stamper is transferred to the substrate, It characterized in that it comprises a step of controlling the pressing time and transferring.
  • the wall surface of the substrate is repeatedly formed at intervals of 5 mm or less, and the length of the wall surface is 10 times or more than the distance between the wall surfaces.
  • the lower electrode forming step may include coating a hydrophobic material on the surface of the substrate using spin coating, placing a mask according to a lower electrode pattern to be formed on the surface of the hydrophobic material, and irradiating ultraviolet rays. Changing the hydrophobic material to hydrophilic according to a mask pattern, and depositing the lower electrode.
  • the forming of the lower electrode may include positioning a mask according to a lower electrode pattern to be formed on the surface of the substrate having hydrophobic characteristics, changing a hydrophobic surface to hydrophilic according to a mask pattern by irradiating ultraviolet rays, and the lower electrode. It characterized in that it comprises a step of depositing.
  • substrate is characterized by being 10 times or less of the space
  • the buffer layer is characterized in that formed of poly ethylenedioxythiophene (PEDT) / poly styrene sulphonic acid (PSS).
  • PEDT poly ethylenedioxythiophene
  • PSS poly styrene sulphonic acid
  • the electron accepting layer is formed of LiF (Lithium Fluoride) or LiO 2 .
  • the lower electrode and the upper electrode pattern may be formed to be spaced apart from each other.
  • the forming of the buffer layer and the forming of the active layer may include any of inkjet printing, aerosol jet printing, EHD (electrohydrodynamic) jet printing, gravure printing, gravure offset printing, flexo printing, and screen printing. It is characterized by one printing technique.
  • the forming of the partition wall of the substrate may include any one of inkjet printing, aerosol jet printing, electrohydrodynamic (EHD) jet printing, gravure printing, gravure offset printing, flexographic printing, and screen printing. .
  • EHD electrohydrodynamic
  • the present invention configured as described above has the advantage that the electrode pattern is easily formed by forming a wall surface on the substrate surface, and the manufacturing defects can be easily solved and supplemented as each cell is manufactured to operate independently.
  • the etching process is not used in the entire process as it is manufactured only by the thermoforming process, the printing process, or the selective deposition process, there is a high advantage in the ease of the process and the environment.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing an organic thin film solar cell having a channel structure according to the present invention
  • FIG. 2 is a flow chart showing a manufacturing step of a substrate on which a horizontal wall surface is formed according to the present invention
  • FIG. 3 is a top view of a substrate on which a wall is formed according to the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a partition wall forming process according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a top view showing a state in which the lower electrode is formed on the substrate surface in the solar cell manufacturing method according to the invention
  • Figure 6 is a top view showing a state in which the upper electrode is formed on the substrate surface in the solar cell manufacturing method according to the present invention.
  • vacuum chamber 720 mold
  • a method of manufacturing a substrate by patterning a horizontal wall surface 110 to be formed side by side on the prepared substrate surface, Forming a lower electrode (anode) pattern on the surface of the substrate wall, forming a buffer layer 300 on the surface of the electrode pattern, and forming an active layer (organic photoelectric layer; 400) on the surface of the buffer layer And forming an electron accepting layer 500 on the surface of the active layer and forming an upper electrode (cathode) pattern on the surface of the electron accepting layer.
  • the solar cell manufacturing method by forming a cell independent by patterning the wall surface arranged horizontally parallel to the substrate surface, and manufacturing a solar cell using the substrate having such a pattern can increase the manufacturing reliability
  • FIG. 1 is a flowchart of a method of manufacturing an organic thin film solar cell having a channel structure according to the present invention.
  • a transparent or thin and flexible plastic substrate 100 is prepared, and then a wall is formed to be horizontally arranged side by side on one surface.
  • the wall surface is configured to have independent cells, and forms a wall pattern on the surface of the substrate after the transfer process.
  • FIG. 2 is a flow chart showing the manufacturing step of the substrate with a horizontal wall surface formed in accordance with the present invention.
  • the substrate according to the present invention is an organic thin film type substrate having transparency capable of transmitting sunlight, having excellent moldability and heat resistance, and having flexibility, and in terms of formability, polyethylene (PE) resin and polycarbonate (PC) resin.
  • PE polyethylene
  • PC polycarbonate
  • PMMA Polymethyl methacrylate
  • PA polyamide
  • PEN polyenthylene naphthalate
  • the glass temperature is 250 degrees Celsius or less. Use a transparent film.
  • the molding machine corresponds to a molding machine that is implemented by compression in a vacuum atmosphere.
  • the atmosphere of the chamber is switched to a vacuum atmosphere, and then the heating temperature, the heating pressure, and the heating time are set to compress the stamper and the substrate.
  • the heating temperature is 180 degrees
  • the heating pressure is 19 megapascals (Mpa)
  • the heating time can be formed to optimize the wall surface of the substrate by setting the process conditions to about 19 minutes.
  • the final substrate is completed by separating the substrate on which the transfer to the substrate is completed on the molding machine.
  • FIG. 3 is a top view of a substrate on which a wall is formed according to the present invention.
  • the wall surface formed as the surface of the solar cell substrate is arranged side by side horizontally to form a cell, the interval between each wall is 5 mm or less, the length of the wall is preferably about 10 times or more of the interval between the wall surface.
  • the width of the wall surface is less than or equal to the smallest size of 100 micrometers, the thickness of the substrate, 1/10 of the gap between the wall surface, the height of the wall surface is preferably formed to 1 to 2 micrometers.
  • the interval between cells corresponds to approximately 10 mm.
  • a substrate having a channel structure having a wall pattern arranged horizontally side by side on the substrate surface has an advantage in that electrode (lower electrode) patterning is easy and defects are easily solved or supplemented because each cell is configured independently.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a partition wall forming process in another embodiment according to the present invention.
  • partition walls perpendicular to the wall surface are formed on the lower electrode pattern at regular intervals to form a plurality of grid-shaped electrode patterns.
  • the partition wall forming process is further applied, the problem of the existing technology of forming the grid structure from the beginning is solved, thereby having the advantages of the grid structure and increasing the ease of the process.
  • the partition wall may be formed by applying any one of inkjet printing, aerosol jet printing, electrohydrodynamic (EHD) jet printing, gravure printing, gravure offset printing, flexographic printing, and screen printing.
  • EHD electrohydrodynamic
  • Figure 5 is a top view showing a state in which the lower electrode is formed on the surface of the solar cell manufacturing method according to the present invention.
  • the lower electrode (anode) 200 is formed from the substrate having the wall surface.
  • the lower electrode forms AZO (Al-doped Zinc Oxide) by CVD deposition method.
  • AZO Al-doped Zinc Oxide
  • CVD deposition method When the deposition process is described in detail, first, a substrate is mounted on a spin coater to form a hydrophobic material on the substrate surface, OTS (OctadecylTricholro Silane) is added and operated for a predetermined time to coat the hydrophobic material on the substrate. After the coating is completed, a mask corresponding to the electrode pattern is manufactured, and the mask is placed on a substrate to convert UV into hydrophilicity according to the mask. An Al-doped Zinc Oxide (AZO) transparent conductive film is formed using ALD (Atomic Layer Deposition) according to the lower electrode formation pattern converted to hydrophilicity.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • the buffer layer 300, the organic photoelectric layer (active layer; 400), and the electron accepting layer (Lif layer; 500) are sequentially printed and deposited as shown in FIG. 1.
  • the buffer layer 300 is necessary to form the organic photoelectric layer.
  • the buffer layer is required due to the small wettability according to the interface anisotropy between the inorganic lower electrode and the organic photoelectric layer of the organic material.
  • Baytron P VP Al 4083 grade was used as polyethylenedioxythiphene: polystyrene sulfonic acid (PEDT: PSS) as a buffer layer on the AZO electrode.
  • PDT polystyrene sulfonic acid
  • 4083 is not formed by ink jet spraying, and is formed by ink jet spraying by adding glycerol and DI water. And heat treatment for 10 minutes at 140 degrees in air for adhesion and moisture removal of the substrate and the buffer layer.
  • an organic photoelectric layer (active layer) 400 is formed.
  • the organic photoelectric layer poly (3-hexyl-thiophene) (P3HT) and phenyl-C61 butyric acid methylester (PCBM), which is an electron receiving material, are used.
  • P3HT uses EE grade Rieke methal
  • PCBM uses Nano-C. Chlorobenzene was used as a solvent for dissolving the two organic materials, and the two materials were dissolved at a weight ratio of 10: 8, and foreign substances were filtered using a Teflon filter to filter more than 0.45um and then sprayed using a micro fab equipment. Finally, heat treatment was performed at 70 ° C.
  • the step of forming the pre-buffer layer and the process of forming the active layer (organic photoelectric layer) may be any of inkjet printing, aerosol jet printing, EHD (electrohydrodynamic) jet printing, gravure printing, gravure offset printing, flexo printing, and screen printing. It can be formed by applying one printing technique.
  • the electron accepting layer may be further formed on the surface of the organic photoelectric layer.
  • the electron accepting layer (buffer layer) is used to improve performance when manufacturing a device such as an organic solar cell or an organic light emitting diode.
  • the upper electrode is used as aluminum (most commonly), LiF (Lithium Fluoride) or LiO 2 is used. Can be formed.
  • FIG. 6 is a top view illustrating a state in which an upper electrode is formed on a surface of a solar cell according to the present invention. Finally, an upper electrode (cathode) 600 is formed on the surface of the electron accepting layer.
  • a preferred example of the upper electrode is formed by depositing aluminum (Al), and as shown in FIG. 6, the pattern of the lower electrode and the pattern of the upper electrode are spaced apart from each other to form a short circuit between both electrodes.
  • a protective layer is finally formed on the surface of the substrate on which the upper electrode is formed.
  • the protective layer is intended to block air and moisture in order to maintain the state of the device after the cathode deposition process is completed, and by using a flexible substrate, the protective layer also uses a resin having flexibility, a representative material is Polyvinylpyrrolidone (PVP) is a stable polymer with high mechanical strength. It is soluble in organic solvents (IPA, Benzene, etc.) and is possible in liquid phase processes. In this case, the protective layer may be formed through spin coating or printing coating.
  • the present invention configured as described above uses a substrate having a channel structure, and thus has high manufacturing reliability, and as a cell, it is easy to solve and compensate for manufacturing defects.

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Abstract

본 발명은 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 유기박막 태양전지 제조방법에 있어서, 준비된 기판 표면으로 서로 수평한 벽면(wall; 110)이 나란히 형성되도록 패턴화하여 기판을 제조하는 단계, 상기 기판 벽면이 형성된 표면으로 하부전극(애노드; 200) 패턴을 형성하는 단계, 상기 전극 패턴 표면으로 버퍼층(300)을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 표면으로 활성층(유기광전층; 400)을 형성하는 단계, 상기 활성층 표면으로 전자수용층(500)을 형성하는 단계 및 상기 전자수용층 표면으로 상부전극(캐소드; 600) 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법
본 발명은 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 독립적인 셀로 구성된 기판 제조에 따라 결함 해소 및 보완이 용이하고 제조 공정을 간소화할 수 있는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
산업의 발전에 따라 에너지의 사용량이 비약적으로 증가하고 있어, 앞으로도 더한 에너지 수요의 증대가 예상된다. 이와 같은 배경에서, 지구환경에 부하를 주지 않는, 경제적이고 고성능의 새로운 크린 에너지 생산기술의 개발에 기대가 모아지고 있다.
그 중에서도 태양전지는 무한히 있다고 해도 좋은 태양광을 이용하는 것이어서 새로운 에너지원으로서 주목받고 있다. 현재 실용화되고 있는 태양전지의 대부분은, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 무정형 실리콘을 이용한 무기태양전지이다. 그러나 이들 무기 실리콘계 태양전지는, 그 제조 프로세스가 복잡해서 비용이 높다고 하는 결점을 가지고 있기 때문에, 널리 일반가정용으로 보급되기에는 이르지 않는다.
일반적으로 태양전지는 반도체의 광 기전력 효과를 이용한 것으로, p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만든다. 태양전지의 구조와 원리를 살펴보면, p형 반도체와 n형 반도체가 하나의 단결정으로 접합이 되면 불순물의 농도차에 의하여 n형 반도체의 잉여전자(electron)가 p형의 반도체로 확산해 가고, 반대로 정공(hole)은 p형에서 n형으로 확산한다. 이에 따라 p형 반도체의 전도대(conduction band)내에 있는 전자의 에너지는 n형보다 좁아지고 n형 반도체의 가전자대(valence band)에 있는 정공이 갖는 에너지는 p형 반도체보다 높아지게 되므로, 이로 인해 내부 전위차가 발생된다.
종래의 잉크젯 등 인쇄기법을 이용한 태양전지 제조방법을 살펴보면, 기판 표면에 양전극패턴을 형성하는 단계, 상기 양전극패턴이 형성된 기판의 일부 표면에 전도성 폴리머층을 형성하는 단계, 상기 양전극패턴과 상기 전도성 폴리머층이 형성된 상기 기판 표면에 유기광전층을 형성하는 단계 및 상기 유기광전층 일부 표면에 음전극패턴을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 각각의 단계는 인쇄 방식을 통하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법이 공지되어 있다.
하지만, 종래 태양전지 제조방법에서는 태양전지의 일부 또는 전체 제조 공정에서 전지 셀의 기판 위에서 액상 잉크 및 페이스트(폴리머층, 광전층, 전극 등)의 뭉침 현상으로 부분적인 핀홀이 발생하여 상부전극과 하부전극의 단락이 발생하고, 이로 인하여 태양전지 모듈 전체의 기능이 상실될 수 있는 문제점이 있다.
한편, 이러한 문제를 해결하기 위하여 격자형 구조의 태양전지 제조 방법이 고안되고 있다. 그러나 이 경우 채널 형태의 하부 전극을 형성하고 난 후 격자를 구성하게 되는데, 이 과정에서 미세하고 종횡비가 높은 격자 형태를 구성하는 것이 어렵고 공정 시 정렬이 까다로운 등, 여러 가지 문제가 발생할 수 있는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 인쇄기법을 이용한 태양전지 제조방법에 있어서, 제조의 용이성과 신뢰성을 높이고, 각 셀의 제조 결함 해소와 보완이 용이한 태양전지 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유기박막 태양전지 제조방법에 있어서, 준비된 기판 표면으로 서로 수평한 벽면(wall ; 110)이 나란히 형성되도록 패턴화하여 기판을 제조하는 단계, 상기 기판 벽면이 형성된 표면으로 하부전극(애노드 ; 200) 패턴을 형성하는 단계, 상기 전극 패턴 표면으로 버퍼층(300)을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 표면으로 활성층(유기광전층 ; 400)을 형성하는 단계, 상기 활성층 표면으로 전자수용층(500)을 형성하는 단계 및 상기 전자수용층 표면으로 상부전극(캐소드 ; 600) 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 유기박막 태양전지 제조방법에 있어서, 준비된 기판 표면으로 서로 수평한 벽면(wall)이 소정의 간격으로 나란히 형성되도록 패턴화하여 기판을 제조하는 단계, 상기 기판 벽면이 형성된 표면으로 하부전극(애노드) 패턴을 형성하는 단계, 상기 기판 벽면과 하부전극이 형성된 상태에서 하부전극 패턴 위에 상기 벽면에 수직하는 칸막이 벽을 일정 간격으로 형성하여 다수의 격자형구조의 전극 패턴을 구성하는 단계, 상기 전극 패턴 표면으로 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 표면으로 활성층(유기광전층)을 형성하는 단계, 상기 활성층 표면으로 전자수용층을 형성하는 단계 및 상기 전자수용층 표면으로 상부전극(캐소드) 패턴을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은, 유리 온도가 섭씨 250 도 이하이고, 투명한 필름으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판 제조단계는, 벽면이 형성된 스탬퍼와 기판을 챔버 내 성형기에 장착하는 단계, 상기 챔버를 진공 상태로 전환하는 단계 및 상기 스탬퍼에 형성된 벽면 패턴이 상기 기판에 전사되도록 가열온도와 가압력, 가압시간을 제어하여 전사하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판의 벽면은, 5 mm 이하의 간격으로 반복적으로 형성되어 있으며, 벽면의 길이가 벽면의 간격의 10 배 이상인 것을 특징으로 하는 한다.
또한, 상기 하부전극 형성단계는, 스핀 코팅을 이용하여 상기 기판 표면으로 소수성 물질을 코팅하는 단계, 소수성 물질이 코팅된 기판 표면에 형성할 하부전극 패턴에 따른 마스크를 위치시키는 단계, 자외선을 조사하여 마스크 패턴에 따라 소수성 물질을 친수성으로 변화시키는 단계 및 상기 하부전극을 증착시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부전극 형성단계는, 소수성 특징을 갖는 상기 기판 표면에 형성할 하부전극 패턴에 따른 마스크를 위치시키는 단계, 자외선을 조사하여 마스크 패턴에 따라 소수성 표면을 친수성으로 변화시키는 단계 및 상기 하부전극을 증착시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판의 칸막이 벽의 간격은, 상기 기판의 벽면의 간격의 10 배 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 버퍼층은, PEDT(poly ethylenedioxythiophene)/PSS(poly styrene sulphonicacid)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자수용층은, LiF(Lithium Fluoride)나 LiO2로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부전극과 상부전극 패턴은 서로 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 버퍼층을 형성시키는 단계와 활성층(유기광전층)을 형성하는 단계는, 잉크젯 인쇄, 에어로졸젯 인쇄, EHD(electrohydrodynamic) 젯 인쇄, 그라비아 인쇄, 그라비아옵셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 스크린 인쇄 중 어느 하나의 인쇄기법인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판의 칸막이 벽을 형성시키는 단계는, 잉크젯 인쇄, 에어로졸젯 인쇄, EHD(electrohydrodynamic) 젯 인쇄, 그라비아 인쇄, 그라비아옵셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 스크린 인쇄 중 어느 하나의 인쇄기법인 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은, 기판 표면으로 벽면을 형성함으로써 전극 패턴이 용이하고, 각각의 셀이 독립적으로 작동하도록 제조함에 따라 제조 결함의 해결 및 보완이 용이한 이점이 있다.
또한, 칸막이 벽 형성 공정을 추가 적용함에 따라 처음부터 격자구조를 형성함에 따른 기존 기술의 문제점을 해소함으로써, 격자구조의 장점을 가짐과 동시에 공정의 용이성을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 열성형 공정, 인쇄 공정 또는 선택적 증착 공정만을 통해 제조됨에 따라 전 공정에서 식각 공정이 사용되지 않기 때문에 공정의 용이성과 환경성에 높은 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법의 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 수평한 벽면이 형성된 기판의 제조단계를 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 벽면이 형성된 기판의 상면도,
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로 칸막이 벽 형성 공정을 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에서 기판 표면에 하부 전극이 형성된 상태는 나타낸 상면도,
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에서 기판 표면에 상부전극이 형성된 상태를 나타낸 상면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : 벽면
120 : 칸막이 벽 130 : 얼라인마크
200 : 하부전극(애노드) 300 : 버퍼층
400 : 유기광전층 500 : 전자수용층
600 : 상부전극(캐소드) 700 : 성형기
710 : 진공챔버 720 : 몰드
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법은, 유기박막 태양전지 제조방법에 있어서, 준비된 기판 표면으로 서로 수평한 벽면(wall ; 110)이 나란히 형성되도록 패턴화하여 기판을 제조하는 단계, 상기 기판 벽면이 형성된 표면으로 하부전극(애노드 ; 200) 패턴을 형성하는 단계, 상기 전극 패턴 표면으로 버퍼층(300)을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 표면으로 활성층(유기광전층 ; 400)을 형성하는 단계, 상기 활성층 표면으로 전자수용층(500)을 형성하는 단계 및 상기 전자수용층 표면으로 상부전극(캐소드 ; 600) 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법은, 기판 표면으로 수평하게 나란히 배열된 벽면을 패턴화하여 독립적인 셀을 구성하고, 이러한 패턴이 형성된 상기 기판을 이용하여 태양전지를 제조함에 따라 제조 신뢰성을 높일 수 있고, 결함의 해결 및 보완이 용이하게 태양전지 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법의 순서도이다. 우선, 투명한 또는 얇고 플렉시블한 플라스틱 기판(100)을 준비한 후 일측 표면으로 수평하게 나란히 배열되는 벽면(wall)을 형성한다. 상기 벽면은 태양전지를 제조함에 있어, 각각에 독립적인 셀을 갖도록 구성하기 위한 것으로, 전사과정을 거치 기판 표면에 벽면 패턴을 형성한다.
상기 벽면을 형성하기 위한 공정을 도 2를 통해 상세히 살펴본다. 도 2는 본 발명에 따른 수평한 벽면이 형성된 기판의 제조단계를 나타낸 순서도이다. 본 발명에 따른 상기 기판은 태양광의 투과가 가능한 투명성을 가지며, 성형성과 내열성이 우수하고, 휨이 가능한 유성을 가지는 유기박막형 기판으로서, 성형성 측면에서는 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리카보네이트(PC)수지, PMMA(Poly Methyl Methacrylate)수지, 폴리아미드(PA)수지 계열이 바람직하고, 특히 본 발명에서는 PEN(Polyenthylene Naphthalate) 필름을 사용하는 것이 가장 바람직하며, 기판 특성의 경우 유리 온도가 섭씨 250 도 이하이고 투명한 필름을 사용한다.
벽면이 형성된 기판을 제조하기 위해서 우선 벽면 형상에 대응하게 각인된 니켈 스탬퍼를 제조하고, 상기 스탬퍼와 고분자 기판을 성형기에 장착한다. 여기서 상기 성형기는 진공분위기에서 압축 구현되는 성형기에 해당하다. 진공챔버에 스탬퍼와 기판을 위치시킨 후 에어트랩(Air trap)을 방지하기 위해서 챔버의 분위기를 진공분위기로 전환시킨 후 가열온도, 가열압력, 가열시간을 설정하여 스탬퍼와 기판을 압축시킨다. 이때, 가열 온도는 180도, 가열압력은 19메가파스칼(Mpa), 가열시간은 19분 정도로 공정 조건을 설정함으로써 기판의 벽면을 최적화되도록 형성시킬 수 있다.
상기 기판에 전사가 완료된 기판을 성형기에 분리하면 최종 기판이 완성된다.
도 3은 본 발명에 따른 벽면이 형성된 기판의 상면도이다. 도시된 바와 같이 태양전지 기판 표면으로 형성된 벽면은 수평하게 나란히 배열되어 셀을 구성하며, 각 벽면 간의 간격은 5 mm 이하이고, 벽면의 길이는 벽면 간의 간격의 약 10 배 이상인 것이 바람직하다. 또한, 벽면의 폭은 100 마이크로미터, 기판의 두께, 벽면 간의 간격의 1/10 중 가장 작은 크기 이하이며, 벽면의 높이는 1 ~ 2마이크로미터로 형성시키는 것이 바람직하다. 또한, 셀간의 간격은 대략 10mm 정도에 해당한다.
이와 같이 기판 표면으로 수평하게 나란히 배열되는 벽면 패턴을 구비한 채널 구조의 기판은 전극(하부전극) 패터닝이 용이하고, 각각의 셀이 독립적으로 구성되기 때문에 결함 해결 또는 보완이 용이한 이점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 다른 실시예로 하부전극 형성 후 상기 벽면에 수직한 칸막이 벽(120) 형성 공정을 더 추가할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로 칸막이 벽 형성 공정을 나타낸 사시도이다. 상기 기판 벽면(110)과 하부전극(200)이 형성된 상태에서 하부전극 패턴 위에 상기 벽면에 수직하는 칸막이 벽을 일정 간격으로 형성하여 다수의 격자형구조의 전극 패턴을 구성한다. 상기 칸막이 벽 형성 공정을 추가 적용함에 따라 처음부터 격자구조를 형성함에 따른 기존 기술의 문제점을 해소함으로써, 격자구조의 장점을 가짐과 동시에 공정의 용이성을 높일 수 있는 이점이 있다. 이때, 상기 기판의 칸막이 벽의 간격은 상기 기판의 벽면의 간격의 10배 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 칸막이 벽을 형성시키는 단계는 잉크젯 인쇄, 에어로졸젯 인쇄, EHD(electrohydrodynamic) 젯 인쇄, 그라비아 인쇄, 그라비아옵셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 스크린 인쇄 중 어느 하나의 인쇄기법을 적용하여 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에서 기판 표면에 하부 전극이 형성된 상태는 나타낸 상면도이다. 상술한 바와 같은 과정을 통해 벽면이 형성된 기판으로 하부전극(애노드 ; 200)을 형성한다.
상기 하부전극은 AZO(Al-doped Zinc Oxide)를 CVD 증착 방식을 통해 형성하는데, 증착 과정을 자세히 설명하면, 우선 기판 표면으로 소수성 물질을 형성시키기 위해 스핀 코팅기에 기판을 장착하고 기판 위에 소수성 물질인 OTS(OctadecylTricholro Silane)을 투입하여 일정시간동안 작동시켜 기판에 소수성 물질을 코팅한다. 코팅이 완료되면 전극 패턴에 대응하는 마스크를 제작하고 상기 마스크를 기판에 위치시켜 자외선을 조사하여 마스크에 따라 친수성으로 전환시킨다. 친수성으로 전환된 하부전극 형성 패턴에 따라 ALD(Atomic Layer Deposition)을 이용하여 AZO(Al-doped Zinc Oxide) 투명전도막을 형성한다.
상기 하부전극 형성 후에는 도 1에 나타낸 바와 같이 버퍼층(300), 유기광전층(활성층 ; 400), 전자수용층(Lif층 ; 500)을 순차적으로 프린팅 및 증착한다.
상기 버퍼층(300)은 유기광전층을 형성하기 위해 필요하다. 무기물인 하부전극과 유기물의 유기광전층 간의 계면 이방성에 따라 젖음성이 작아 상기 버퍼층이 필요하다. AZO 전극 위에 버퍼층으로 polyethylenedioxythiphene : polystyrene sulfonic acid(PEDT : PSS)로 baytron P VP Al 4083 그레이드를 사용하였다. 4083은 바로 잉크젯 분사가 되지 않아 글리세롤과 DI water를 첨가하여 잉크젯 분사를 통해 형성한다. 그리고 기판과 버퍼층의 접착력과 수분제거를 위해 공기중에서 140도에서 10분간 열처리 한다.
상기 버퍼층 형성 후에는 유기광전층(활성층 ; 400)을 형성한다. 상기 유기광전층으로는 Poly(3-hexyl-thiophene)(P3HT)와 전자를 받는 물질인 phenyl-C61 butyric acid methylester(PCBM)을 사용한다. P3HT는 EE등급의 Rieke methal사 제품을 사용했으며, PCBM은 Nano-C사의 제품을 사용했다. 두 유기물질을 용해하기 위해서 사용한 용매로는 클로로벤젠을 사용하였으며, 두 물질을 10:8의 무게비로 녹여 테프론 필터를 사용하여 0.45um 이상의 이물질을 필터링한 후 Micro fab 장비를 사용하여 분사하였다. 마지막으로 유기광전층의 유기용매 제거와 어닐링을 위해 70도에서 10분간 열처리 하였다. 여기서, 기 버퍼층을 형성시키는 단계와 활성층(유기광전층)을 형성하는 공정은, 잉크젯 인쇄, 에어로졸젯 인쇄, EHD(electrohydrodynamic) 젯 인쇄, 그라비아 인쇄, 그라비아옵셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 스크린 인쇄 중 어느 하나의 인쇄기법을 적용하여 형성할 수 있다.
한편, 상기 유기광전층 표면으로는 전자수용층을 더 형성시킬 수 있다. 상기 전자수용층(버퍼층)은 유기태양전지나 유기발광다이오드와 같은 디바이스 제작 시 성능의 향상을 위하여 사용되며, 상부전극을 알루미늄으로 사용할 경우(가장 일반적임) LiF(Lithium Fluoride)나 LiO2 등을 사용하여 형성시킬 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에서 기판 표면에 상부전극이 형성된 상태를 나타낸 상면도이다. 마지막으로 전자수용층 표면으로 상부전극(캐소드 ; 600)을 형성한다. 상부전극의 바람직한 예는 알루미늄(Al)을 증착하여 형성하며, 이때, 도 6에 도시된 바와 같이 하부전극의 패턴과 상부전극의 패턴이 서로 이격되어 양 전극 사이에 단락이 되지 않도록 형성한다.
또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 상부전극이 형성된 기판의 표면으로는 마지막으로 보호층을 형성한다. 상기 보호층은 음극 증착 공정이 끝난 뒤 디바이스의 상태를 유지시키기 위해 공기와 수분을 차단하는데 목적이 있으며, 유연한 기판을 사용함에 따라 상기 보호층 역시 유연함을 갖는 수지류를 사용하는 것으로, 대표적인 물질은 PVP(Polyvinylpyrrolidone)로 기계적 강도가 높고 안정한 폴리머이며, 유기용매(IPA, Benzene등)에 잘 녹아 액상 공정으로 가능하다. 이때 상기 보호층은 스핀 코팅이나 인쇄코팅을 통해 형성시킬 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 채널 구조의 기판을 이용하므로 제조 신뢰성이 높고, 셀로 구성함에 따라 제조 결함의 해결 및 보완이 용이하다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 유기박막 태양전지 제조방법에 있어서,
    준비된 기판 표면으로 서로 수평한 벽면(wall)이 소정의 간격으로 나란히 형성되도록 패턴화하여 기판을 제조하는 단계;
    상기 기판 벽면이 형성된 표면으로 하부전극(애노드) 패턴을 형성하는 단계;
    상기 전극 패턴 표면으로 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 표면으로 활성층(유기광전층)을 형성하는 단계;
    상기 활성층 표면으로 전자수용층을 형성하는 단계; 및
    상기 전자수용층 표면으로 상부전극(캐소드) 패턴을 형성하는 단계;를 포함
    하여 구성되는 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  2. 유기박막 태양전지 제조방법에 있어서,
    준비된 기판 표면으로 서로 수평한 벽면(wall)이 소정의 간격으로 나란히 형성되도록 패턴화하여 기판을 제조하는 단계;
    상기 기판 벽면이 형성된 표면으로 하부전극(애노드) 패턴을 형성하는 단계;
    상기 기판 벽면과 하부전극이 형성된 상태에서 하부전극 패턴 위에 상기 벽면에 수직하는 칸막이 벽을 일정 간격으로 형성하여 다수의 격자형구조의 전극 패턴을 구성하는 단계;
    상기 전극 패턴 표면으로 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 표면으로 활성층(유기광전층)을 형성하는 단계;
    상기 활성층 표면으로 전자수용층을 형성하는 단계; 및
    상기 전자수용층 표면으로 상부전극(캐소드) 패턴을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 기판은,
    유리 온도가 섭씨 250 도 이하이고 투명한 필름으로 구비되는 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 기판 제조단계는,
    벽면이 형성된 스탬퍼와 기판을 챔버 내 성형기에 장착하는 단계;
    상기 챔버를 진공 상태로 전환하는 단계; 및
    상기 스탬퍼에 형성된 벽면 패턴이 상기 기판에 전사되도록 가열온도와 가압력, 가압시간을 제어하여 전사하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 기판의 벽면은,
    각 벽면 간의 간격은 5 mm 이하이고, 벽면의 길이는 벽면 간의 간격의 약 10 배 이상이며, 벽면의 폭은 100 마이크로미터, 기판의 두께, 벽면 간의 간격의 1/10 중 가장 작은 크기 이하인 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 하부전극 형성단계는,
    스핀 코팅을 이용하여 상기 기판 표면으로 소수성 물질을 코팅하는 단계;
    소수성 물질이 코팅된 기판 표면에 형성할 하부전극 패턴에 따른 마스크를 위치시키는 단계;
    자외선을 조사하여 마스크 패턴에 따라 소수성 물질을 친수성으로 변화시키는 단계; 및
    상기 하부전극을 증착시키는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 하부전극 형성단계는,
    소수성 특징을 갖는 상기 기판 표면에 형성할 하부전극 패턴에 따른 마스크를 위치시키는 단계;
    자외선을 조사하여 마스크 패턴에 따라 소수성 표면을 친수성으로 변화시키는 단계; 및
    상기 하부전극을 증착시키는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 기판의 칸막이 벽의 간격은,
    상기 기판의 벽면의 간격의 10배 이하인 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 버퍼층은,
    PEDT(poly ethylenedioxythiophene)/PSS(poly styrene sulphonicacid)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전자수용층은,
    LiF(Lithium Fluoride)나 LiO2로 형성되는 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하부전극과 상부전극 패턴은 서로 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 채널구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  12. 제 1항 내지 제 2항에 있어서, 상기 버퍼층을 형성시키는 단계와 활성층(유기광전층)을 형성하는 단계는,
    잉크젯 인쇄, 에어로졸젯 인쇄, EHD(electrohydrodynamic)젯 인쇄, 그라비아 인쇄, 그라비아옵셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 스크린 인쇄 중 어느 하나의 인쇄기법인 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
  13. 제 2항에 있어서, 상기 기판의 칸막이 벽을 형성시키는 단계는,
    잉크젯 인쇄, 에어로졸젯 인쇄, EHD(electrohydrodynamic) 젯 인쇄, 그라비아 인쇄, 그라비아옵셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 스크린 인쇄 중 어느 하나의 인쇄기법인 것을 특징으로 하는 채널 구조의 유기박막 태양전지 제조방법.
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