WO2017171364A2 - 유기 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법 - Google Patents

유기 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2017171364A2
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cell module
organic solar
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subcell
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이재철
이행근
장송림
최두환
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    • 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 solar cell module and an organic solar cell module. More specifically, the lower electrode is cross-etched and etched and the upper electrode is coated to correspond to the lower electrode, thereby reducing the photoactive area of the subcell.
  • the present invention relates to an organic solar cell module capable of arranging more subcells in a predetermined area and a method of manufacturing the same.
  • the present invention relates to an organic solar cell module and a method of manufacturing the same, which may reduce installation and manufacturing costs by coating a buffer layer and a photoactive layer on a cross-etched bottom electrode using an existing slot die coating apparatus.
  • Solar cells that produce electrical energy using sunlight which is one of renewable energy, are excited by light energy when electron-hole pairs are excited by light energy when sunlight in the wavelength range with energy greater than the prohibition is incident on a semiconductor device composed of pn junctions.
  • the electrons and holes separated by the internal electric field move to charge the n-layer and p-layer with the cathode and the anode, respectively, to generate electromotive force, and a current flows through a load contacted to the outside.
  • Korean Patent No. 10-1258185 relates to a solar cell module and a method of manufacturing the solar cell module by forming a plurality of cells by sequentially stacking a first electrode portion, a charge transport layer, a photoactive layer, and a second electrode portion on a substrate. In the fabrication process, the charge transport layer and the electrode arrangement structure of each cell are changed and stacked to control the direction and magnitude of the total voltage or current.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0035799 forms a plurality of cells including a back electrode light absorption layer, a buffer layer, and a front electrode layer on one substrate, and connects the formed cells in series or in parallel to output an output voltage. It is characterized by forming.
  • the prior art relates to a solar cell module that controls the direction and size of the total voltage or current of the module only by changing the number of strips constituting the individual modules and the arrangement of the electrodes.
  • the module size is determined, and the width and number of solar cell subcells are limited in a predetermined area due to the limitation of the coating technology.
  • the prior art is a technology for manufacturing a solar cell module unit by stacking a substrate, a back electrode, a light absorbing layer, a buffer layer and a front electrode layer, and by arranging each manufactured solar cell module unit in series or parallel connection, Each solar cell module unit is manufactured in order to arrange one or more solar cell module units, and the same process is repeatedly executed, thereby making the manufacturing process inefficient.
  • the organic solar cell module has a problem in that the width and the number of stripe patterns are limited.
  • the object of the present invention is that the lower electrode and the upper electrode is formed in the lateral and longitudinal direction spaced apart, compared with the prior art, the number of subcells are formed more than twice the same area, the subcells are connected in series Therefore, it is to provide an organic solar cell module with an operating voltage also more than doubled.
  • an object of the present invention is to use a strip-type patterning process for coating a conventional electrode, a buffer layer and a photoactive layer, an organic solar cell including a larger number of subcells than the conventional one and reduced manufacturing costs To provide a module.
  • the organic solar cell module manufacturing method comprises the steps of (a) coating a first electrode material on the substrate; (b) the coated first electrode material is cross etched to form one or more subcell bottom electrode portions; (c) strip-pattern coating the first buffer layer and the photoactive layer on the sub-cell lower electrode portion; And (d) coating a second electrode material on the photoactive layer in a one-to-one correspondence with the one or more subcell lower electrode portions.
  • step (b) the cross etching is performed such that the first electrode material is etched such that one or more transverse lines are formed, and the vertical lines located above and below the one or more transverse lines are staggered from each other.
  • One electrode material may be etched.
  • the first electrode material is etched to be n divided in the transverse direction (n is a natural number), and the first electrode material is etched to be n divided in the longitudinal direction (n is a natural number)
  • One or more subcell bottom electrode parts may be formed, and the one or more subcell bottom electrode parts may be spaced apart from each other.
  • the first electrode material and the second electrode material are at least one of solution coating, sputtering, thermal evaporation, atomic layer deposition and chemical vapor deposition. It can be coated using.
  • step (b) at least one of photo-litho wet etching, laser etching, and scribing may be used.
  • the first buffer layer and the photoactive layer may include vacuum deposition, spin-coating, bar-coating, and slot die coating. ), Blade-coating, spray-coating, screen-printing, gravure offset printing and inkjet printing can be used. Can be.
  • the organic solar cell module according to the present invention includes a substrate; At least one subcell lower electrode portion formed by cross-etching a first electrode material on the substrate; A first buffer layer and a photoactive layer formed by coating a stripe pattern on the at least one subcell lower electrode part; And at least one subcell upper electrode portion formed by coating a second electrode material on the photoactive layer in a one-to-one correspondence with the at least one subcell lower electrode portion.
  • the one or more subcell bottom electrode portions one or more transverse lines; And vertical lines positioned above and below the one or more transverse lines, wherein the vertical lines may be formed to cross each other.
  • the at least one subcell lower electrode portion is etched such that the first electrode material is n divided in the lateral direction (n is a natural number), and the first electrode material is n divided in the longitudinal direction (n is a natural number). May be etched to form.
  • the at least one subcell lower electrode portion may be formed to be spaced apart from each other.
  • the method may further include a second buffer layer formed by coating on the photoactive layer.
  • the first buffer layer and the photoactive layer may be striped pattern coated by slot die coating.
  • one or more subcell bottom electrodes are formed by etching the first electrode material such that one or more transverse lines are formed, and etching longitudinal lines located above and below the one or more transverse lines to cross one another.
  • the sub-cell top electrode is coated one-to-one with the cell bottom electrode, thereby simplifying the manufacturing process, thereby effectively producing an organic solar cell module having an increased total voltage value than in the related art.
  • the slot die coating is performed using an existing manufacturing apparatus, so that an organic solar cell module manufacturing apparatus installation cost and an organic solar cell module manufacturing cost may be reduced.
  • a certain area of the organic solar cell module may include a larger number of subcells than in the prior art, thereby reducing the response area of the subcell, the short-circuit current (Jsc), and the operating voltage, fill factor, and efficiency.
  • Open-circuit voltage (Voc) has the effect of providing an increased organic solar cell module.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a method of manufacturing an organic solar cell module 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a method of manufacturing the organic solar cell module 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 (a) is a perspective view of an organic solar cell module 10 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 (b) is a plan view of an organic solar cell module 10 according to an embodiment of the present invention to be.
  • FIG. 4A is a plan view of an organic solar cell module 10 composed of one subcell
  • FIG. 4B is a plan view of an organic solar cell module 10 composed of two subcells
  • FIG. 4C is a plan view of an organic solar cell module 10 composed of three subcells
  • FIG. 4D is a plan view of an organic solar cell module 10 composed of four subcells.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating a difference between the number of subcells of a conventional organic solar cell module and an organic solar cell module according to another embodiment of the present invention in the same area
  • FIG. 5 (a) shows a conventional organic solar cell module
  • 5B is a plan view of the organic solar cell module according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5C is a plan view of the organic solar cell module according to the second embodiment of the present invention.
  • (d) is a plan view of an organic solar cell module according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view for explaining a manufacturing process of the organic solar cell module 10 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is to explain a manufacturing process of the organic solar cell module 10 according to an embodiment of the present invention It is a plan view for.
  • a method of manufacturing an organic solar cell module 10 includes (a) coating a first electrode material on a substrate, and (b) coating the first electrode material to be cross etched so that at least one sub Forming a cell bottom electrode, (c) strip-pattern coating a first buffer layer and a photoactive layer on the subcell bottom electrode, and (d) a second electrode material on the photoactive layer It may include the step of coating in one-to-one correspondence with the at least one sub-cell lower electrode.
  • each step will be described in detail with reference to the drawings.
  • the first electrode material 200 is coated on the substrate 100 in advance to form the sub-cell lower electrode 300 described below.
  • the substrate 100 may include a glass substrate and a flexible substrate, and the flexible substrate may include any one of PET, PEN, PI, and thin glass.
  • the type of substrate is not limited to the conventional substrate used in the art.
  • the first electrode material 200 may include any one or more of ITO, silver nanowires, polyethylene dioxy thiophene (PSDOT), metal meshes, carbon nanotubes, conductive polymers, and F-doped tin oxide (FTO). Can be.
  • the first electrode material 200 is coated on the substrate 100 using any one of solution coating, sputtering, vacuum thermal deposition, atomic layer deposition, and chemical vapor deposition.
  • Step (b) is a step in which the coated first electrode material 200 is cross etched to form one or more subcell lower electrode portions 300.
  • the cross etching means that the first electrode material 200 is etched so that one or more transverse lines are formed, and the first electrode material 200 is etched so that vertical lines positioned above and below the one or more transverse lines are staggered from each other. Or may be described as a patterned process.
  • cross etching means that the first electrode material 200 is etched in the lateral direction by n divided (n is a natural number), and the first electrode material 200 is divided in the longitudinal direction by n (n is a natural number). Note that the etching may form one or more subcell lower electrode portions 300, but the one or more subcell lower electrode portions 300 may be described as being formed to be spaced apart from each other.
  • the first and second electrode materials 200 are spaced apart due to the lateral and longitudinal etching, so that the subcell lower electrode part 300 is disposed on the subcell lower first to sixth electrodes 310, 320, 330, 340, and 350. , 360).
  • the first electrode material 200 when the first electrode material 200 is etched so that one transverse line is formed in the first electrode material 200, the first electrode material 200 is divided into two parts. In order to prevent the formed vertical lines from being positioned on the same line, a distance spaced apart from one end of the first electrode material 200 may be formed differently. That is, the subcell lower fourth electrode 340 may be alternately formed to the right or the left of the subcell lower first electrode 310.
  • two subcell lower electrode portions 300 may be formed, and three subcell lower electrode portions 300 may be formed when two horizontal lines are formed in the same manner, and four subcells may be formed when three horizontal lines are formed.
  • the cell bottom electrode 300 may be formed. That is, when the sub-cell lower electrode 300 is formed by cross etching, an effect that can be formed without limitation in thickness and number may occur.
  • the number of subcell lower electrode portions 300 when the number of subcell lower electrode portions 300 is adjusted due to cross etching, the number of subcells of the organic solar cell module 10 may be adjusted thereby. This will be described in detail with reference to FIG. 3 to be described later.
  • step (b) may be performed by etching the first electrode material 200 using at least one of photo-litho wet etching, laser etching, and scribing.
  • the cell bottom electrode 300 may be formed.
  • the etching pattern of the sub-cell lower electrode part 300 may be etched by moving the vertical line of the upper end to the left and the vertical line of the lower end to the right based on the horizontal line.
  • the sub-cell lower second electrode 320 positioned on the upper side of the horizontal line is left-handed compared to the stripe pattern. Shifted to the left to expose the left edge of the lower second electrode 320 of the subcell, and the lower fifth electrode 350 positioned at the lower end of the horizontal line is shifted to the right relative to the stripe pattern, thereby lowering the subcell. It may be formed to be etched so that the right edge of the fifth electrode 350 is exposed.
  • the first buffer layer 400 and the photoactive layer 500 are coated with a stripe pattern on the lower electrode portion 300.
  • the stripe pattern coating using the conventional slot die coating method there is no need to replace the manufacturing apparatus to manufacture the organic solar cell module 10 according to the present invention, the organic solar cell module by using the existing manufacturing apparatus The manufacturing cost of (10) can be reduced.
  • the first buffer layer 400 and the photoactive layer 500 may be vacuum deposited, spin-coated, bar-coated, blade-coated, Can be coated using any one or more of spray-coating, screen-printing, gravure off-set printing, and inkjet printing, but may be used in the art. It is not limited as long as it includes a coating method.
  • the first buffer layer 400 may include any one or more of VOx, MoOx, NiO, WO3, PEI, PEIE, PAA, ZnO, ZnO, TiO2 or TiOx
  • the photoactive layer 500 may include P3HT, PTB7, PCE-10, Low Molecular Organic Compound, PC61BM. It may include any one or more of PC71BM and ICBA, but is not limited so long as it includes a composition used in the art.
  • the first buffer layer 400 and the photoactive layer 500 may be integrally formed to penetrate the sub-cell lower electrode 300 spaced apart from each other due to the horizontal line.
  • the first buffer layer 400 may be coated between vertical lines formed in the sub-cell lower electrode 300.
  • the first buffer layer 400 may be coated to be spaced apart from the right edge of the sub-cell lower second electrode 320 or the left edge of the sub-cell lower fifth electrode 350 so that the vertical line is not completely covered.
  • the first buffer layer 400 may be coated in a state in which it moves from the first longitudinal line to the right with respect to the left side.
  • the width of the first buffer layer 400 coated between the vertical lines may cover the right edge of the second electrode 320 at the bottom of the subcell, and if the second vertical lines are not completely covered, the width between the vertical lines may be satisfied.
  • the width of the first buffer layer 400 to be coated is not limited.
  • the subcell upper second electrode 620 and the subcell lower second electrode 320 may not be directly contacted.
  • the first buffer layer 400 may be coated while being moved from the second longitudinal line to the left side with respect to the left side. Further, the width range in which the first buffer layer 400 is coated between the vertical lines may cover the left edge of the fifth electrode 350 at the bottom of the subcell, and if the first vertical lines are not completely covered, the vertical lines may satisfy the vertical line. The width of the first buffer layer 400 coated therebetween is not limited.
  • the subcell upper third electrode 630 and the subcell lower fifth electrode 350 may not be directly in contact with each other.
  • the second sub-320 and fifth 350 bottom electrodes serving as the electron movement passages and the second second and third electrode 620 and 630 which serve as the hole movement passages do not directly contact each other.
  • electrons and holes separated in the photoactive layer 500 may again meet to prevent the formation of a short circuit.
  • first ferber layer 400 and the photoactive layer 500 may be coated in a strip pattern without a separate patterning to manufacture the number of subcells (the number of stripes) X (the number of horizontal lines + 1).
  • step (d) the second electrode material is coated on the photoactive layer 500 in a one-to-one correspondence with at least one subcell lower electrode part 300.
  • the second electrode material is coated in a one-to-one correspondence with the one or more subcell lower electrode portions 300 to form a subcell upper electrode portion 600, and the subcell upper electrode portion 600 is a subcell upper first electrode.
  • the subcell upper electrode portion 600 is a subcell upper first electrode.
  • the one-to-one corresponding coating is performed when the first electrode material 200 is divided into n (n is a natural number) so that two or more subcell lower electrode portions 300 are formed. It may mean that the coating so that the horizontal line is formed at the same position as the horizontal line formed in the 200).
  • horizontal lines and vertical lines may be formed, wherein the horizontal lines of the second electrode material are positioned at positions corresponding to the horizontal lines formed on the first electrode material 200.
  • the second electrode material may be alternately formed to the right and the left of the photoactive layer 500.
  • two second electrode materials alternately formed on the right and left sides of the photoactive layer 500 may be spaced apart from each other, and a vertical line of the second electrode material may be formed between the two vertical lines formed on the first electrode material 200. Can be formed on. That is, the vertical lines formed on the second electrode material may be formed differently from the number of vertical lines formed on the first electrode material 200.
  • the second electrode 620 on the upper side of the subcell is coated on the right side of the photoactive layer 500 and coated on the photoactive layer 500 and the upper side of the third electrode 330 on the lower side of the subcell.
  • the hole separated from the photoactive layer 500 may serve as a bridge for conducting the upper stripe electrode part 700 to be described later.
  • the subcell upper third electrode 630 is coated with the photoactive layer 500 moved to the left to be coated on the photoactive layer 500 and the subcell lower fourth electrode 340. It may serve as a bridge for conducting holes separated from the photoactive layer 500 to the fourth electrode 340 at the bottom of the subcell.
  • the subcell upper first electrode 610 is coated on the two lower electrodes 310 and 320 so that the subcell lower first electrode 310 and the subcell lower second electrode 320 are connected to each other.
  • the electrons separated from the layer 500 may serve as a bridge for conducting the sub-cell lower second electrode 320 from the sub-cell lower first electrode 310.
  • the subcell upper fourth electrode 640 is coated on the two lower electrodes 350 and 360 so that the subcell lower fifth electrode 350 and the subcell lower sixth 360 are connected to each other. Electrons separated from the photoactive layer 500 may be conducted from the subcell bottom fifth electrode 350 to the subcell bottom sixth electrode 360.
  • the positional relationship between the horizontal line and the vertical line formed in the second electrode material may be confirmed.
  • the second electrode material is a transparent electrode, silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), calcium (Ca) and magnesium (Mg) Any one or more may be included. However, it is not limited so long as it includes a composition used in the art.
  • the coating method of the second electrode material is the same as the coating method of the first electrode material 200 coated in step (a), a detailed description thereof will be omitted.
  • masking, photo-litho wet etching, laser etching, and scribing may be used as a method of forming the horizontal lines and the vertical lines in the second electrode material. Any one or more) may be used, but any technique capable of forming the second electrode material is not limited as long as it includes an etching technique used in the art.
  • the method of manufacturing the organic solar cell module 10 may further include a step of stripe coating the second electrode material on the right edge of the organic solar cell module 10. As the second electrode material is striped coated, the upper stripe electrode part 700 is formed, and the organic solar cell module 10 is connected by serially connecting the plurality of subcell upper electrode parts 600 formed at the upper and lower ends with respect to the horizontal line. Note that you can let the electron through).
  • the horizontal line is not formed to the right end, so the subcell lower third electrode 330 and the subcell lower sixth Note that when the electrode 360 is connected, the step of forming the upper stripe electrode part 700 may be omitted.
  • the method may further include coating a second buffer layer on the photoactive layer 500 between steps (c) and (d), wherein the second buffer layer is the same coating method and material as the first buffer layer 400.
  • the coating due to the deposition by a known technique is also possible, so a detailed description thereof will be omitted.
  • the sub-cell lower electrode 300 is a negative electrode material
  • the sub-cell upper electrode 600 is a view showing an organic solar cell module 10 made of a positive electrode material.
  • the organic solar cell module 10 may have an inverted structure
  • the first buffer layer 400 may serve as an electron transport layer
  • the second buffer layer may function as a hole transport layer.
  • the organic solar cell module 10 has a normal structure.
  • the first buffer layer 400 may function as a hole transport layer
  • the second buffer layer may serve as an electron transport layer.
  • FIG. 3 (a) is a perspective view of an organic solar cell module 10 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 (b) is a plan view of an organic solar cell module 10 according to an embodiment of the present invention to be.
  • the first electrode material 200 is cross-etched on the substrate 10 and the substrate 10.
  • One or more subcell lower electrode portions 300, the first buffer layer 400, the photoactive layer 500, and the photoactive layer 500 formed by coating a stripe pattern on the one or more subcell lower electrode portions 300.
  • the second electrode material may include one or more subcell upper electrode parts 600 formed by coating one-to-one correspondence with the one or more subcell lower electrode parts 300.
  • the one or more subcell lower electrode portions 300 may include one or more horizontal lines and vertical lines positioned above and below one or more horizontal lines, and the vertical lines may be formed to cross each other.
  • the first electrode material 200 is etched to be n-divided (n is a natural number) in the lateral direction, and the first electrode material 200 is etched to be n-divided (n is a natural number) in a longitudinal direction.
  • the at least one subcell lower electrode part 300 may be formed to be spaced apart from each other.
  • the organic solar cell module 10 may further include a second buffer layer formed by coating on the photoactive layer 500.
  • the first buffer layer 400 and the photoactive layer 500 may be striped pattern coated by slot die coating.
  • the photoactive layer 500 may include any one of a structure including a donor layer and an acceptor layer, a composite thin film structure, and a composite structure including a composite thin film between the donor layer and the acceptor layer. It may be formed into a structure.
  • the organic solar cell module 10 has the same advantages and effects of the above-described configuration, a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 4A is a plan view illustrating an organic solar cell module 10 formed using a conventional technique, and FIGS. 4B, 4C, and 4D cross the first electrode material 200. This is a plan view showing the organic solar cell module 10 formed when etching.
  • FIG. 4B is a plan view illustrating the organic solar cell module 10 including two subcells.
  • Two subcell lower electrode portions 300 are formed by cross etching, and a subcell is illustrated in FIG. Since the upper electrode part 600 is coated with the subcell lower electrode part 300 and the same number and positions of the lateral lines spaced apart from each other, two subcell upper electrode parts 600 may also be formed.
  • FIG. 4 has two transverse lines formed by cross etching to form three subcell lower electrode portions 300 and a subcell upper electrode portion 600, thereby including three subcells. It is a top view for demonstrating the organic solar cell module 10.
  • FIG. 4D three horizontal lines are formed to form four subcell lower electrode portions 300 and a subcell upper electrode portion 600, thereby forming an organic solar cell including four subcells. It is a top view for demonstrating the module 10.
  • FIG. 4D three horizontal lines are formed to form four subcell lower electrode portions 300 and a subcell upper electrode portion 600, thereby forming an organic solar cell including four subcells. It is a top view for demonstrating the module 10.
  • Can be adjusted to Vtotal V1 + V2 + V3 + V4.
  • each subcell is reduced compared to the conventional one, thereby increasing the operating voltage, fill factor (FF), open-circuit voltage (Voc), and photoelectric conversion efficiency (Jc). Short-circuit current) is reduced, so that the performance of the organic solar cell module 10 can be increased.
  • the position of the + electrode and the-electrode of the organic solar cell module including one or more subcells can also be adjusted to change the direction of the photocurrent.
  • Figure 4 (b), (c) and (d) is the position of the + and-poles of the organic solar cell module 10 of the inverted structure. Therefore, when the organic solar cell module 10 has a normal structure, it is noted that the positions of the + and-poles of the organic solar cell module 10 may be formed opposite to the positions of the + and-poles of the inverted structure.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating a difference between the conventional organic solar cell module and the number of subcells of the organic solar cell module 10 according to another embodiment of the present invention in the same area.
  • 5 is a plan view of the solar cell module
  • FIG. 5B is a plan view of the organic solar cell module 10 according to another embodiment of the present invention.
  • the performance of the organic solar cell module manufactured using the conventional technology and the organic solar cell module having the cross-etching and one or more lateral lines according to an embodiment of the present invention were measured and compared.
  • the comparative example is an organic solar cell module having a size of 9 cm ⁇ 9 cm consisting of six subcells, in which ITO is coated on a PET substrate, and the ITO is etched only in the longitudinal direction. On the etched ITO, an electron transport layer / photoactive layer / hole transport layer was coded in the order using a slot die coating, and an anode metal was stripe pattern coated on the hole transport layer to prepare an organic solar cell module.
  • Example 1 Example 2 and Example 3, according to the organic solar cell module manufacturing method according to the invention, ITO is coated on the PET substrate, the coated ITO is etched to form one transverse line, ITO is patterned by etching so that vertical lines located above and below the transverse line are staggered from each other.
  • An organic solar cell module was prepared by coating an electron transporting layer / photoactive layer / hole transporting layer in order using a slot die coating on the patterned ITO, and coating a cathode metal in a one-to-one correspondence with the patterned ITO on the hole transporting layer.
  • Examples 1, 2 and 3 are organic solar cell modules having a size of 9 cm ⁇ 9 cm and are composed of 12, 18 and 24 subcells.
  • the performance measurement includes Voc, Jsc, current density (Vmp), voltage value (Jmp), Avg Voc / cell and Jsc / cell.
  • the efficiency ( ⁇ ) of the organic solar cell module can be calculated using Voc, Jsc, and FF.
  • the Jsc value decreases proportionally to the number of subcells.
  • Efficiency ( ⁇ ) is As a value that can be obtained by the formula, the intensity (Pin) of the incident light during the Voc and Jsc measurement of Comparative Examples and Examples 1 to 3 was performed in the same manner. Although the Jsc value of Examples 1 to 3 was lower than that of the comparative example, the Voc and FF values were increased, and as a result, the efficiency was increased.
  • the organic solar cell module according to the present invention may have an effect of increasing efficiency and performance by increasing Voc and FF values.

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Abstract

본 발명은 유기 태양전지 모듈 제조 방법 및 유기 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 하단 전극이 교차로 이격되어 에칭되고 하단 전극과 대응되게 상단 전극이 코팅됨으로써, 서브셀의 광활성 면적이 감소되고 일정 면적에 종래보다 많은 서브셀을 배열할 수 있는 유기 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 기존 슬롯 다이 코팅 장치를 이용하여 교차 에칭된 하단 전극 상에 버퍼층 및 광활성층을 코팅함으로써, 설치 비용 및 제조 비용이 절감될 수 있는 유기 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

유기 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법
본 명세서는 2016년 3월 28일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2016-0037174호 및 2017년 3월 27일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2017-0038517호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 유기 태양전지 모듈 제조 방법 및 유기 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 하단 전극이 교차로 이격되어 에칭되고 하단 전극과 대응되게 상단 전극이 코팅됨으로써, 서브셀의 광활성 면적이 감소되고 일정 면적에 종래보다 많은 서브셀을 배열할 수 있는 유기 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 기존 슬롯 다이 코팅 장치를 이용하여 교차 에칭된 하단 전극 상에 버퍼층 및 광활성층을 코팅함으로써, 설치 비용 및 제조 비용이 절감될 수 있는 유기 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
우리는 200년간 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석연료를 통해서 에너지를 얻었다. 그러나, 화석연료의 고갈과 화석연료에 의한 이산화탄소 배출과 같은 문제들이 떠오르면서 화석연료를 대체할만한 친환경적이고 고갈되지 않는 에너지에 대한 연구가 세계적으로 진행되고 있다. 화석연료를 대체할 에너지로는 화석연료를 변환시켜 이용하거나, 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생에너지가 있다.
신재생에너지 중 하나인 태양광을 사용하여 전기에너지를 생산하는 태양전지는 pn 접합으로 구성된 반도체 소자에 금지대폭보다 큰 에너지를 가진 파장영역의 태양광이 입사되면 광에너지에 의해 전자-정공 쌍이 여기되고, 내부전계에 의해 분리된 전자와 정공이 이동하여 n층과 p층을 각각 음극과 양극으로 대전시킴으로써 기전력이 발생하며, 외부에 접촉된 부하에 전류가 흐르는 원리를 가지고 있다.
태양전지 모듈 및 제조 방법에 관한 한국등록특허 제10-1258185호는, 기판상에 제1 전극부와 전하 수송층, 광활성층, 제2 전극부를 차례대로 적층하여 복수의 셀을 형성함으로써 태양전지 모듈을 제작하고, 모듈 제작시 각 셀의 전하 수송층 및 전극 배치구조를 변화시켜 적층하여 총 전압 또는 전류의 방향 및 크기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 한국공개특허 제10-2011-0035799호는, 하나의 기판 상에 후면전극 광흡수층, 버퍼층, 전면전극층을 구비한 복수의 셀을 형성하고, 형성된 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 출력전압을 형성하는것을 특징으로 한다.
그러나, 선행 기술은 개별 모듈을 구성하는 strip 개수와 전극의 배치구조 변화만을 통해 모듈의 총 전압 또는 전류의 방향 및 크기를 제어하는 태양전지 모듈에 관한 기술로, 유기 태양전지 모듈 적용 제품에 따라 최종 모듈 사이즈가 정해지고, 코팅 기술의 한계로 인해 일정 면적에 태양전지 서브셀의 폭과 개수가 한정되어 있어 모듈의 전압 크기를 가변하는데 문제점을 가지고 있다.
또한, 선행 기술은 기판, 후면전극, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 적층하여 태양전지 모듈 유닛을 제조하고, 제조된 각각의 태양전지 모듈 유닛을 배열하여 직렬 또는 병렬연결하는 기술로, 일정 면적에 하나 이상의 태양전지 모듈 유닛을 배열하기 위해 각각의 태양전지 모듈 유닛을 제조하고, 동일 공정이 반복 실행되어 제조 공정이 비효율적인 문제점을 가지고 있다.
한편, 기존의 유기 태양전지 모듈이 제조될 때, 슬롯 다이 코팅 방법을 이용하여 버퍼층과 광활성층을 적층하였으나, 이로 인해, 하단 및 상단 전극 또한 스트라이프 패턴으로 적층되어야 하고, 유기 태양전지 모듈은 스트라이프 패턴의 서브셀만 포함되게 된다. 따라서, 유기 태양전지 모듈은 스트라이프 패턴의 폭과 개수가 제한되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 기판 상에 코팅된 제1 전극 물질이 교차 에칭되어, 하나 이상의 서브셀 하단 전극이 형성되고, 제2 전극 물질이 서브셀 하단 전극과 일대일 대응되게 코팅됨으로써, 광활성 면적이 감소된 하나 이상의 서브셀을 포함하는 유기 태양전지 모듈을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 하단 전극과 상단 전극이 횡방향 및 종방향으로 이격형성됨으로써, 종래 기술과 비교했을때, 같은 면적에 대하여 서브셀의 개수가 2배 이상 형성되고, 서브셀이 직렬 연결되어 작동 전압 또한 2배 이상 증가된 유기 태양전지 모듈을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 기존 전극, 버퍼층 및 광활성층을 코팅하는 스트립-타입 패터닝(strip-type patterning) 공정을 이용하여, 종래 보다 많은 수의 서브셀을 포함하고 제조 비용이 절감된 유기 태양전지 모듈을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 유기 태양전지 모듈 제조 방법은 (a) 기판 상부에 제1 전극 물질이 코팅되는 단계; (b) 코팅된 상기 제1 전극 물질이 교차 에칭되어 하나 이상의 서브셀 하단 전극부가 형성되는 단계; (c) 상기 서브셀 하단 전극부 상에 제1 버퍼층 및 광활성층이 스트라이프 패턴 코팅(Strip-pattern coating)되는 단계; 및 (d) 상기 광활성층 상에 제2 전극 물질이 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부와 일대일 대응되게 코팅되는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, (b) 단계에서, 상기 교차 에칭은, 하나 이상의 횡라인들이 형성되도록 제1 전극 물질이 에칭되고, 그리고 상기 하나 이상의 횡라인들의 상측 및 하측에 위치하는 종라인들이 서로 엇갈리도록 제1 전극 물질이 에칭될 수 있다.
바람직하게는, (b) 단계에서, 상기 제1 전극 물질은 횡방향으로 n분할(n는 자연수)되도록 에칭되고, 그리고 상기 제1 전극 물질은 종방향으로 n분할(n는 자연수)되도록 에칭되어 하나 이상의 서브셀 하단 전극부를 형성하되, 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부는 서로 이격되도록 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 전극 물질 및 상기 제2 전극 물질은, 용액 코팅, 스퍼터링, 진공열증착(thermal evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition) 및 화학 증착(chemical vapor deposition) 중 어느 하나 이상을 이용하여 코팅될 수 있다.
바람직하게는, (b) 단계에서, 상기 교차 에칭은, 포토 웨트 에칭(Photo-litho wet etching), 레이저 에칭(laser etching) 및 스크라이빙(Scribing) 중 어느 하나 이상이 이용될 수 있다.
바람직하게는, (c) 단계에서, 제1 버퍼층 및 상기 광활성층은, 진공 증착(Vacuum deposition), 스핀 코팅(Spin-coating), 바코팅(Bar-coating), 슬롯다이코팅(Slot-die coating), 블레이드 코팅(Blade-coating), 스프레이 코팅(Spray-coating), 스크린 인쇄(Screen-printing), 그라비어 옵셋 인쇄(Gravure off-set printing) 및 잉크젯 인쇄(Inkjet printing) 중 어느 하나 이상이 이용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계 사이에, 상기 광활성층 상에 제2 버퍼층이 코팅되는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유기 태양전지 모듈은 기판; 상기 기판 상에 제1 전극 물질이 교차 에칭되어 형성되는 하나 이상의 서브셀 하단 전극부; 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부 상에 스트라이프 패턴 코팅되어 형성되는 제1 버퍼층 및 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 제2 전극 물질이 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부와 일대일 대응되게 코팅되어 형성되는 하나 이상의 서브셀 상단 전극부;가 포함될 수 있다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부는, 하나 이상의 횡라인들; 및 상기 하나 이상의 횡라인들의 상측 및 하측에 위치하는 종라인들;을 포함하되, 상기 종라인들은 서로 엇갈리도록 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부는, 상기 제1 전극 물질이 횡방향으로 n분할(n은 자연수)되도록 에칭되고, 그리고 상기 제1 전극 물질이 종방향으로 n분할(n은 자연수)되도록 에칭되어 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부는 서로 이격되도록 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 광활성층 상에 코팅되어 형성되는 제2 버퍼층;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 버퍼층 및 광활성층은 슬롯다이코팅에 의해 스트라이프 패턴 코팅될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 전극 물질을 하나 이상의 횡라인들이 형성되도록 에칭하고, 하나 이상의 횡라인들의 상측 및 하측에 위치한 종라인들을 서로 엇갈리도록 에칭함으로써, 하나 이상의 서브셀 하단 전극이 형성되고, 서브셀 하단 전극과 일대일 대응되게 서브셀 상단 전극이 코팅됨으로써, 제조 공정을 단순화하여 종래 보다 총 전압값이 증가한 유기 태양전지 모듈을 효율적으로 제조할 수 있는 효과가 발생한다.
그리고, 서브셀의 개수가 제한되지 않는 유기 태양전지 모듈을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 제1 버퍼층 및 광활성층 코팅 시 기존 제조 장치를 이용하여 슬롯 다이 코팅을 함으로써, 유기 태양전지 모듈 제조 장치 설비 비용 및 유기 태양전지 모듈 제조 비용이 감소될 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 유기 태양전지 모듈의 일정 면적에 종래 기술보다 많은 수의 서브셀이 포함될 수 있어, 서브셀의 반응 면적, Jsc(Short-circuit current)가 감소되고, 작동 전압, FF(Fill factor), 효율, Voc(Open-circuit voltage)는 증가된 유기 태양전지 모듈을 제공할 수 있는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10) 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10) 제조 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10)의 사시도 이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10)의 평면도이다.
도 4의 (a)는 하나의 서브셀로 구성된 유기 태양전지 모듈(10) 평면도이고, 도 4의 (b)는 두 개의 서브셀로 구성된 유기 태양전지 모듈(10) 평면도이다. 도 4의 (c)는 세 개의 서브셀로 구성된 유기 태양전지 모듈(10) 평면도이고, 도 4의 (d)는 네 개의 서브셀로 구성된 유기 태양전지 모듈(10) 평면도이다.
도 5는 같은 면적에서 종래의 유기 태양전지 모듈과 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈의 서브셀 개수의 차이를 설명하기 위한 평면도로서, 도 5의 (a)는 종래 유기 태양전지 모듈 평면도이고, 도 5의 (b)는 본 발명의 실시예 1에 따른 유기 태양전지 모듈 평면도이고, 도 5의 (c)는 본 발명의 실시예 2에 따른 유기 태양전지 모듈 평면도이고, 도 5의 (d)는 본 발명의 실시예 3에 따른 유기 태양전지 모듈 평면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다, 이 과정에서 도면에 도시된 선의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10) 제조 공정을 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10) 제조 공정을 설명하기 위한 평면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10) 제조 방법은 (a) 기판 상부에 제1 전극 물질이 코팅되는 단계, (b) 코팅된 상기 제1 전극 물질이 교차 에칭되어 하나 이상의 서브셀 하단 전극부가 형성되는 단계, (c) 상기 서브셀 하단 전극부 상에 제1 버퍼층 및 광활성층이 스트라이프 패턴 코팅(Strip-pattern coating)되는 단계 및 (d) 상기 광활성층 상에 제2 전극 물질이 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부와 일대일 대응되게 코팅되는 단계를 포함할 수 있다. 이하 각 도면을 참고하여 각각의 단계를 구체적으로 설명하기로 한다.
(a)단계는 기판(100) 상에 후술되는 서브셀 하단 전극부(300)를 형성하기 위해 사전에 제1 전극 물질(200)을 코팅하는 단계이다.
여기서, 기판(100)은 유리 기판 및 유연 기판을 포함할 수 있고, 그 중 유연 기판은 PET, PEN, PI 및 얇은 유리(thin glass) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 기판의 종류는 당 분야에서 사용하고 있는 통상적인 기판으로 그 종류는 제한되지 않음을 유의한다.
제1 전극 물질(200)은 ITO, 은 나노와이어, PEDOT:PSS(Poly ethylene di oxy thiophene), 금속 그물망, 탄소 나노 튜브, 전도성 고분자 및 FTO(F-doped tin oxide) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극 물질(200)은 용액 코팅, 스퍼터링, 진공열증착, 원자층 증착 및 화학 증착 중 어느 하나를 이용하여 기판(100) 상부에 코팅된다.
(b)단계는 코팅된 제1 전극 물질(200)이 교차 에칭되어 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)가 형성되는 단계이다.
여기서, 교차 에칭이란, 하나 이상의 횡라인들이 형성되도록 제1 전극 물질(200)이 에칭되고, 하나 이상의 횡라인들의 상측 및 하측에 위치하는 종라인들이 서로 엇갈리도록 제1 전극 물질(200)이 식각 혹은 패터닝 되는 공정이라 설명될 수 있음을 유의한다.
또 다른 형태로, 교차 에칭이란, 제1 전극 물질(200)이 횡방향으로 n분할(n은 자연수)되도록 에칭되고, 제1 전극 물질(200)이 종방향으로 n분할(n은 자연수)되도록 에칭되어 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)를 형성하되, 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)는 서로 이격되도록 형성되는 공정으로 설명될 수 있음을 유의한다.
이러한, 횡방향 및 종방향 에칭으로 인해 제1 전극 물질(200)이 이격됨으로써, 서브셀 하단 전극부(300)는 서브셀 하단 제1 전극 내지 제6 전극(310, 320, 330, 340, 350, 360)으로 이루어질 수 있다.
예컨대, 제1 전극 물질(200)에 하나의 횡라인이 형성되도록 제1 전극 물질(200)이 에칭되면 제1 전극 물질(200)은 2분할 되고, 횡라인 상측에 형성된 종라인들과 하측에 형성된 종라인들이 같은 선상에 위치하는 것을 방지하기 위해, 제1 전극 물질(200) 일측 단부와 이격된 거리가 상이하게 형성될 수 있다. 즉, 서브셀 하단 제4 전극(340)은 서브셀 하단 제1 전극(310) 우측 또는 좌측으로 엇갈려 형성될 수 있다.
나아가, 도 2의 (b)를 참조하면, 횡라인 상측 및 하측에 위치하는 종라인의 위치관계를 확인할 수 있다.
따라서, 두 개의 서브셀 하단 전극부(300)가 형성될 수 있고, 동일한 방식으로 두 개의 횡라인이 형성되면 세 개의 서브셀 하단 전극부(300)가, 세 개의 횡라인이 형성되면 네 개의 서브셀 하단 전극부(300)가 형성될 수 있다. 즉, 교차 에칭으로 서브셀 하단 전극부(300)가 형성될 때, 두께 및 개수에 제한 없이 형성될 수 있는 효과가 발생할 수 있다.
또한, 교차 에칭으로 인해 서브셀 하단 전극부(300)의 개수가 조절되면, 그로 인해 유기 태양전지 모듈(10)의 서브셀 개수가 조절될 수 있다. 후술하는 도 3을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.
나아가, (b)단계는 포토 웨트 에칭(Photo-litho wet etching), 레이저 에칭(laser etching) 및 스크라이빙(Scribing) 중 어느 하나 이상을 이용하여 제1 전극 물질(200)을 에칭함으로써, 서브셀 하단 전극부(300)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 서브셀 하단 전극부(300) 에칭 패턴은 횡라인을 기준으로 상단부의 종라인은 왼쪽으로 하단부의 종라인은 오른쪽으로 이동되어 에칭될 수 있다.
좀 더 상세하게는, 후술되는 제1 버퍼층(400) 및 광활성층(500)의 스트라이프 패턴 기준으로 봤을 때, 횡라인의 상단에 위치하는 서브셀 하단 제2 전극(320)은 스트라이프 패턴에 비해 왼쪽으로 시프트(Shift) 되어 서브셀 하단 제2 전극 (320)의 왼쪽 가장자리가 노출되고, 횡라인의 하단에 위치하는 서브셀 하단 제5 전극(350)은 스트라이프 패턴에 비해 오른쪽으로 시프트되어 서브셀 하단 제5 전극 (350)의 오른쪽 가장자리가 노출되도록 에칭되게 형성될 수 있다.
(c)단계는 서브셀 하단 전극부(300) 상에 제1 버퍼층(400) 및 광활성층(500)이 스트라이프 패턴 코팅되는 단계이다.
여기서, 스트라이프 패턴 코팅은 기존의 슬롯 다이 코팅 방법을 이용함으로, 본 발명에 따른 유기 태양전지 모듈(10)을 제조하기 위해 제조 장치를 교체할 필요가 없고, 기존 제조 장치를 사용함으로써 유기 태양전지 모듈(10)의 제조 비용이 감소될 수 있다.
나아가, 제1 버퍼층(400) 및 광활성층(500)은 슬롯 다이 코팅 이외에 진공 증착(Vaccum deposition), 스핀 코팅(Spin-coating), 바코팅(Bar-coating), 블레이드 코팅(Blade-coating), 스프레이 코팅(Spray-coating), 스크린 인쇄(Screen-printing), 그라비어 옵셋 인쇄(Gravure off-set printing), 및 잉크젯 인쇄(Inkjet printing) 중 어느 하나 이상을 이용하여 코팅될 수 있으나, 당 분야에서 사용하고 있는 코팅방법을 포함하는 한 제한되지 않는다.
더욱이, 제1 버퍼층(400)은 VOx, MoOx, NiO, WO3, PEI, PEIE, PAA, ZnO, ZnO, TiO2 또는 TiOx 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 광활성층(500)은 P3HT, PTB7, PCE-10, 저분자 유기 화합물, PC61BM. PC71BM 및 ICBA 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 당 분야에서 사용하고 있는 조성물을 포함하는 한 제한되지 않는다.
(c)단계에서 제1 버퍼층(400) 및 광활성층(500)은 횡라인으로 인해 이격형성된 서브셀 하단 전극부(300)를 관통하도록 일체로 형성될 수 있다. 또한, 제1 버퍼층(400)은 서브셀 하단 전극부(300)에 형성된 종라인 사이에 코팅될 수 있다. 이 때, 제1 버퍼층(400)은 종라인이 완전히 덮이지 않게 서브셀 하단 제2 전극(320)의 오른쪽 모서리 또는 서브셀 하단 제5 전극(350) 왼쪽 모서리와 이격되게 코팅될 수 있다.
좀 더 상세하게는, 횡라인 상단 서브셀 하단 전극부(300)의 경우, 왼쪽을 기준으로 첫번째 종라인에서 오른쪽으로 이동된 상태로 제1 버퍼층(400)이 코팅될 수 있다. 나아가, 제1 버퍼층(400)이 종라인 사이에 코팅되는 넓이는 서브셀 하단 제2 전극(320)의 오른쪽 모서리를 덮을 수 있고, 두번째 종라인이 완전히 덮이지 않는 범위로 이를 만족한다면 종라인 사이 코팅되는 제1 버퍼층(400)의 넓이는 제한되지 않는다. 나아가, 후술되는 서브셀 상단 제2 전극(620)과 서브셀 하단 제2 전극(320)이 직접적으로 접촉하지 않게 형성될 수 있다.
같은 원리로, 횡라인 하단 서브셀 하단 전극부(300)의 경우, 왼쪽을 기준으로 두번째 종라인에서 왼쪽으로 이동된 상태로 제1 버퍼층(400)이 코팅될 수 있다. 나아가, 제1 버퍼층(400)이 종라인 사이에 코팅되는 넓이 범위는 서브셀 하단 제5 전극(350)의 왼쪽 모서리를 덮을 수 있고, 첫번째 종라인이 완전히 덮이지 않는 범위로 이를 만족한다면 종라인 사이 코팅되는 제1 버퍼층(400)의 넓이는 제한되지 않는다. 후술되는 서브셀 상단 제3 전극(630)과 서브셀 하단 제5 전극(350)이 직접적으로 접촉하지 않게 형성될 수 있다.
따라서, 전자 이동 통로 역할을 하는 서브셀 하단 제2(320) 및 제5(350) 전극과 정공 이동 통로 역할을 하는 서브셀 상단 제2(620) 및 제3(630) 전극이 직접 접촉하지 않음으로써 광활성층(500)에서 분리된 전자와 정공이 다시 만나 단락(Short circuit)이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 별도의 패터닝 없이 스트립 패턴으로 제1 퍼버층(400) 및 광활성층(500)을 코팅 하여 (스트라이프 개수) X (횡라인 개수 + 1)의 서브셀 개수를 제조할 수 있다.
(d)단계는 광활성층(500) 상에 제2 전극 물질이 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)와 일대일 대응되게 코팅되는 단계이다.
또한, 제2 전극 물질이 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)와 일대일 대응되게 코팅되어 서브셀 상단 전극부(600)가 형성되고, 서브셀 상단 전극부(600)는 서브셀 상단 제1 전극 내지 서브셀 상단 제4 전극(610, 620, 630, 640)으로 이루어 질 수 있다.
여기서, 일대일 대응되게 코팅되는 것은 제1 전극 물질(200)이 n분할(n은 자연수) 되어 서브셀 하단 전극부(300)가 두 개 이상 형성될 경우, 제2 전극 물질을 제1 전극 물질(200)에 형성된 횡라인과 동일한 위치에 횡라인이 형성되게 코팅하는 것을 의미할 수 있다.
좀 더 자세하게는, 제2 전극 물질이 코팅될 때, 횡라인과 종라인이 형성될 수 있는데, 제2 전극 물질의 횡라인은 제1 전극 물질(200)에 형성되는 횡라인과 대응되는 위치에 형성될 수 있고, 제2 전극 물질은 광활성층(500)의 우측 및 좌측으로 엇갈려 형성될 수 있다.
또한, 광활성층(500)의 우측 및 좌측에 엇갈려 형성된 두 개의 제2 전극 물질은 이격되어 형성될 수 있으며, 제2 전극 물질의 종라인은 제1 전극 물질(200)에 형성된 두 개의 종라인 사이에 형성될 수 있다. 즉, 제2 전극 물질에 형성되는 종라인은 제1 전극 물질(200)에 형성되는 종라인의 개수와 상이하게 형성될 수 있다.
좀 더 상세하게는, 서브셀 상단 제2 전극(620)은 광활성층(500)을 기준으로 오른쪽으로 이동된 상태로 코팅되어 광활성층(500)과 서브셀 하단 제3 전극(330) 상부에 코팅됨으로써, 광활성층(500)에서 분리된 정공을 후술되는 상단 스트라이프 전극부(700)로 전도시키는 다리 역할을 할 수 있다.
같은 원리로, 서브셀 상단 제3 전극(630)은 광활성층(500)을 기준으로 왼쪽으로 이동된 상태로 코팅되어 광활성층(500)과 서브셀 하단 제4 전극(340) 상부에 코팅됨으로써, 광활성층(500)에서 분리된 정공을 서브셀 하단 제4 전극(340)으로 전도시키는 다리 역할을 할 수 있다.
나아가, 서브셀 상단 제1 전극(610)은 서브셀 하단 제1 전극(310)과 서브셀 하단 제2 전극(320)이 연결되게 두 개의 하단 전극(310, 320) 상부에 코팅되는데, 이는 광활성층(500)에서 분리된 전자를 서브셀 하단 제2 전극(320)에서 서브셀 하단 제1 전극(310)으로 전도하는 다리 역할을 할 수 있다.
*같은 원리로, 서브셀 상단 제4 전극(640)은 서브셀 하단 제5 전극(350)과 서브셀 하단 제6(360)이 연결되게 두 개의 하단 전극(350, 360) 상부에 코팅되고, 광활성층(500)에서 분리된 전자를 서브셀 하단 제5 전극(350)에서 서브셀 하단 제6 전극(360)으로 전도시킬 수 있다.
도 2의 (d)를 참조하면, 제2 전극 물질에 형성되는 횡라인과 종라인의 위치관계를 확인할 수 있다.
한편, 제2 전극 물질은 투명전극, 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 중 어느 하나 이상이 포함될 수 있다. 그러나, 당 분야에서 사용하고 있는 조성물을 포함하는 한 제한되지 않는다.
그리고, 제2 전극 물질의 코팅 방법은 (a)단계에서 코팅되는 제1 전극 물질(200)의 코팅 방법과 동일함으로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 제2 전극 물질에 횡라인과 종라인을 형성하는 방법으로는 전술한 코팅 이외에도 마스킹(Masking), 포토 웨트 에칭(Photo-litho wet etching), 레이저 에칭(laser etching) 및 스크라이빙(Scribing) 중 어느 하나 이상이 이용될 수 있으나, 제2 전극 물질을 이격 형성할 수 있는 기술이라면 당 분야에서 사용하고 있는 에칭 기술을 포함하는 한 제한되지 않는다.
한편, 유기 태양전지 모듈(10) 제조 방법은 유기 태양전지 모듈(10) 우측 가장자리에 제2 전극 물질이 스트라이프 코팅되는 단계를 더 포함할 수 있다. 제2 전극 물질이 스트라이프 코팅됨으로써, 상단 스트라이프 전극부(700)가 형성되고, 횡라인을 기준으로 상단과 하단에 형성된 복수개의 서브셀 상단 전극부(600)를 직렬연결하여 유기태양 전지 모듈(10)에 전자가 통하게 할 수 있음을 유의한다.
반면에, 제1 전극물질이 교차 에칭되어 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)를 형성하는 단계에서, 횡라인이 오른쪽 끝까지 형성되지 않아 서브셀 하단 제3 전극(330)과 서브셀 하단 제6 전극(360)이 연결될 경우, 상단 스트라이프 전극부(700)를 형성하는 단계는 생략될 수 있음을 유의한다.
(c)단계와 (d)단계 사이에 광활성층(500) 상에 제2 버퍼층이 코팅되는 단계를 더 포함할 수 있고, 제2 버퍼층은 제1 버퍼층(400)과 코팅 방법 및 물질이 동일하며, 한편으로는 공지된 기술에 의한 증착으로 인한 코팅도 가능함으로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 서브셀 하단 전극부(300)가 음극 물질이고, 서브셀 상단 전극부(600)가 양극 물질로 이루어진 유기 태양전지 모듈(10)을 나타낸 도면이다. 이 경우 유기 태양전지 모듈(10)은 inverted 구조이고, 제1 버퍼층(400)은 전자 이송층, 제2 버퍼층은 정공 이송층 역할을 할 수 있다.
나아가, 서브셀 하단 전극부(300)가 양극 물질이고, 서브셀 상단 전극부(600)가 음극 물질일 경우 유기 태양전지 모듈(10)은 normal 구조이다. 이 경우, 제1 버퍼층(400)은 정공 이송층, 제2 버퍼층은 전자 이송층 역할을 할 수 있다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10)의 사시도 이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10)의 평면도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10) 제조 방법에 의해 생성된 유기 태양전지 모듈(10)은 기판(10), 기판(10) 상에 제1 전극 물질(200)이 교차 에칭되어 형성되는 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300), 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300) 상에 스트라이프 패턴 코팅되어 형성되는 제1 버퍼층(400) 및 광활성층(500), 광활성층(500) 상에 제2 전극 물질이 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)와 일대일 대응되게 코팅되어 형성되는 하나 이상의 서브셀 상단 전극부(600)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)는 하나 이상의 횡라인들 및 하나 이상의 횡라인들의 상측 및 하측에 위치하는 종라인들을 포함할 수 있고, 종라인들은 서로 엇갈리도록 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 제1 전극 물질(200)이 횡방향으로 n분할(n은 자연수)되도록 에칭되고, 그리고 제1 전극 물질(200)이 종방향으로 n분할(n은 자연수)되도록 에칭되어 형성될 수 있고, 하나 이상의 서브셀 하단 전극부(300)는 서로 이격되도록 형성될 수 있다.
또한, 유기 태양전지 모듈(10)은 광활성층(500) 상에 코팅되어 형성되는 제2 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
더욱이, 제1 버퍼층(400) 및 광활성층(500)은 슬롯다이코팅에 의해 스트라이프 패턴 코팅될 수 있다. 나아가, 광활성층(500)은 도너층(Donor layer)과 억셉터층(Acceptor layer)을 포함하는 구조, 복합박막 구조, 및 도너층과 억셉터층 사이 복합박막이 구성되는 복합구조 중 어느 하나의 구조로 형성될 수 있다.
이러한 유기 태양전지 모듈(10)은 상술된 구성의 장점 및 효과를 동일하게 가지므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 4의 (a)는 종래 기술을 이용하여 형성되는 유기 태양전지 모듈(10)을 나타낸 평면도이고, 도 4의 (b), (c) 및 (d)는 제1 전극 물질(200)을 교차 에칭한 경우 형성되는 유기 태양전지 모듈(10)을 타나낸 평면도이다.
그 중, 도 4의 (b)는 두 개의 서브셀이 포함되는 유기 태양전지 모듈(10)을 설명하는 평면도로서, 교차 에칭으로 인하여 두 개의 서브셀 하단 전극부(300)가 형성되고, 서브셀 상단 전극부(600)는 서브셀 하단 전극부(300)와 횡라인의 위치 및 개수가 동일하게 이격 코팅됨으로, 서브셀 상단 전극부(600) 또한 두 개가 형성될 수 있다.
추가적으로, 도 4의 (c)는 교차 에칭으로 두 개의 횡라인이 형성되어, 세 개의 서브셀 하단 전극부(300) 및 서브셀 상단 전극부(600)가 형성됨으로써, 세 개의 서브셀을 포함하는 유기 태양전지 모듈(10)을 설명하기 위한 평면도이다. 또한, 도 4의 (d)는 세 개의 횡라인이 형성되어, 네 개의 서브셀 하단 전극부(300) 및 서브셀 상단 전극부(600)가 형성됨으로써, 네 개의 서브셀을 포함하는 유기 태양전지 모듈(10)을 설명하기 위한 평면도이다.
따라서, 교차 에칭으로 인해 두 개 이상의 서브셀 하단 전극부(300)를 형성하고, 서브셀 상단 전극부(600)를 서브셀 하단 전극부(300)에 대응되게 코팅함으로써, 도 4의 (b), (c) 및 (d)의 서브셀 개수는 도 4의 (a)의 스트라이프 패턴 개수의 배수로 조절될 수 있어, 전류(Current)값과 전압(Voltage)값을 조절할 수 있다.
즉, 도 4의 (a)의 토탈 전압은 Vtotal=V1, 도 4의 (b)는 Vtotal=V1+V2, 도 4의 (c)는 Vtotal=V1+V2+V3, 도 4의 (d)는 Vtotal=V1+V2+V3+V4로 조절될 수 있다.
또한, 각 서브셀의 광활성 면적(Active area)은 기존에 비해서 감소함으로써, 작동 전압, FF(Fill factor), Voc(Open-circuit voltage), 광전 변환 효율(Power conversion efficiency)이 증가되고, Jsc(Short-circuit current)는 감소되어, 유기 태양전지 모듈(10)의 성능이 증가될 수 있다. 또한, 하나 이상의 서브셀을 포함하는 유기 태양전지 모듈의 + 전극과 - 전극의 위치도 조절 가능하여 광전류의 방향을 변화시킬 수 있다.
한편, 도 4의 (b), (c) 및 (d)는 inverted 구조의 유기 태양전지 모듈(10)의 + 및 - 극의 위치가 표시되어 있다. 따라서, 유기 태양전지 모듈(10)이 normal 구조일 경우, 유기 태양전지 모듈(10)의 + 및 -극의 위치는 inverted 구조의 + 및 -극의 위치와 반대로 형성될 수 있음에 유의한다.
도 5는 같은 면적에서 종래의 유기 태양전지 모듈과 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10)의 서브셀 개수의 차이를 설명하기 위한 평면도로서, 도 5의 (a)는 종래 유기 태양전지 모듈 평면도이고, 도 5의 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈(10) 평면도이다.
< 실험예 >
종래 기술을 이용하여 제조된 유기 태양전지 모듈과 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 에칭 및 하나 이상의 횡라인이 형성된 유기 태양전지 모듈의 성능을 측정 및 비교하였다.
이를 위해, 9cmX9cm 크기에 종래 기술을 이용하여 교차 에칭 및 횡라인이 없이 제조된 유기 태양전지 모듈 1개 제품과 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 모듈 3개 제품에 대하여 실험을 진행하였다.
비교예는 6개의 서브셀로 구성된 9cmX9cm 크기의 유기 태양전지 모듈로써, PET 기판 상에 ITO가 코팅되고, ITO는 종방향으로만 에칭된다. 에칭된 ITO 상에 슬롯 다이 코팅을 이용하여 전자 수송층 / 광활성층 / 정공 수송층 순서대로 코딩되고, 정공 수송층 상에 양극 메탈이 스트라이프 패턴 코팅되어, 유기 태양전지 모듈을 제조하였다.
그리고, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3은 본 발명에 따른 유기 태양전지 모듈 제조 방법에 따라, PET 기판 상에 ITO가 코팅되고, 하나의 횡라인이 형성되도록 코팅된 ITO가 에칭되고, 횡라인 상측 및 하측에 위치하는 종라인들이 서로 엇갈리도록 에칭하여 ITO를 패터닝 한다. 패터닝된 ITO 상에 슬롯 다이 코팅을 이용하여 전자 수송층 / 광활성층 / 정공 수송층 순서대로 코팅되고, 정공 수송층 상에 패터닝된 ITO와 일대일 대응되게 양극 메탈이 코팅되어, 유기 태양전지 모듈을 제조하였다.
실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3은 9cmX9cm 크기의 유기 태양전지 모듈로 12개, 18개 및 24개의 서브셀로 구성된다.
이때, 성능 측정 Voc, Jsc, 전류밀도(Vmp), 전압값(Jmp), Avg Voc/cell 및 Jsc/cell를 포함한다. Voc, Jsc, FF를 이용하여 유기 태양전지 모듈의 효율(ŋ)이 계산될 수 있다.
성능을 측정하기 위한 도구, 시약, 장비 및 방법과 같은 조건들은 동일하였다.
# of rows(6-stripe module) Voc Jsc(mA/cm2) FF ŋ(%) Avg Voc/cell(V) Jsc/cell(mA/cm2)
비교예 5.385 1.730 0.378 3.52 0.897 10.381
실시예 1 10.652 0.844 0.399 3.59 0.888 10.124
실시예 2 14.718 0.580 0.419 3.58 0.818 10.449
실시예 3 19.463 0.421 0.453 3.71 0.811 10.115
<구체적인 검토>
상기 표를 참조하면, 비교예에 따른 유기 태양전지 모듈과 실시예 1 내지 3에 따른 유기 태양전지 모듈의 성능을 측정한 결과, FF(Fill factor) 및 Avg Voc/cell은 증가폭이 미비하였으나, Voc의 경우, 2배, 3배 및 4배 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 같은 면적에서 서브셀의 개수에 비례하여 Voc값은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한, Jsc 값은 서브셀의 개수의 상호 비례하게 감소한 것을 확인할 수 있다.
효율(ŋ)은
Figure PCTKR2017003347-appb-I000001
수식으로 구해질 수 있는 값으로, 비교예와 실시예 1 내지 3의 Voc 및 Jsc 측정 시 입사광의 세기(Pin)을 동일하게 실시하였다. 실시예 1 내지 3의 Jsc값이 비교예의 Jsc 값보다 감소하였으나 Voc 및 FF값이 증가하여 결과적으로, 효율이 증가한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 유기 태양전지 모듈은 Voc 및 FF 값이 증가함으로써, 효율 및 성능이 증가하는 효과가 발생할 수 있음을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. (a) 기판 상부에 제1 전극 물질이 코팅되는 단계;
    (b) 코팅된 상기 제1 전극 물질이 교차 에칭되어 하나 이상의 서브셀 하단 전극부가 형성되는 단계;
    (c) 상기 서브셀 하단 전극부 상에 제1 버퍼층 및 광활성층이 스트라이프 패턴 코팅(Strip-pattern coating)되는 단계; 및
    (d) 상기 광활성층 상에 제2 전극 물질이 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부와 일대일 대응되게 코팅되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 교차 에칭은, 하나 이상의 횡라인들이 형성되도록 제1 전극 물질이 에칭되고, 그리고 상기 하나 이상의 횡라인들의 상측 및 하측에 위치하는 종라인들이 서로 엇갈리도록 제1 전극 물질이 에칭되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 제1 전극 물질은 횡방향으로 n분할(n는 자연수)되도록 에칭되고, 그리고 상기 제1 전극 물질은 종방향으로 n분할(n는 자연수)되도록 에칭되어 하나 이상의 서브셀 하단 전극부를 형성하되, 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부는 서로 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 물질 및 상기 제2 전극 물질은,
    용액 코팅, 스퍼터링, 진공열증착(thermal evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition) 및 화학 증착(chemical vapor deposition) 중 어느 하나 이상을 이용하여 코팅되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 교차 에칭은, 포토 웨트 에칭(Photo-litho wet etching), 레이저 에칭(laser etching) 및 스크라이빙(Scribing) 중 어느 하나 이상을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    제1 버퍼층 및 상기 광활성층은,
    진공 증착(Vacuum deposition), 스핀 코팅(Spin-coating), 바코팅(Bar-coating), 슬롯다이코팅(Slot-die coating), 블레이드 코팅(Blade-coating), 스프레이 코팅(Spray-coating), 스크린 인쇄(Screen-printing), 그라비어 옵셋 인쇄(Gravure off-set printing) 및 잉크젯 인쇄(Inkjet printing) 중 어느 하나 이상을 이용하여 코팅되는 것을 특징으로 하는, 유기 태양전지 모듈 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계 사이에,
    상기 광활성층 상에 제2 버퍼층이 코팅되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유기 태양전지 모듈 제조 방법은,
    유기 태양전지 모듈 우측 가장자리에 상기 제2 전극 물질이 스트라이프 코팅되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 제1 전극 물질이 교차 에칭되어 형성되는 하나 이상의 서브셀 하단 전극부;
    상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부 상에 스트라이프 패턴 코팅되어 형성되는 제1 버퍼층 및 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 제2 전극 물질이 상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부와 일대일 대응되게 코팅되어 형성되는 하나 이상의 서브셀 상단 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부는,
    하나 이상의 횡라인들; 및
    상기 하나 이상의 횡라인들의 상측 및 하측에 위치하는 종라인들;을 포함하되, 상기 종라인들은 서로 엇갈리도록 형성되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부는,
    상기 제1 전극 물질이 횡방향으로 n분할(n은 자연수)되도록 에칭되고, 그리고 상기 제1 전극 물질이 종방향으로 n분할(n은 자연수)되도록 에칭되어 형성되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 서브셀 하단 전극부는 서로 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 유기 태양전지 모듈은,
    상기 광활성층 상에 코팅되어 형성되는 제2 버퍼층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층 및 광활성층은 슬롯다이코팅에 의해 스트라이프 패턴 코팅되는 것을 특징으로 하는,
    유기 태양전지 모듈.
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