WO2021201622A1 - 색상형 디비알 필름 및 이의 제조 방법 - Google Patents

색상형 디비알 필름 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2021201622A1
WO2021201622A1 PCT/KR2021/004044 KR2021004044W WO2021201622A1 WO 2021201622 A1 WO2021201622 A1 WO 2021201622A1 KR 2021004044 W KR2021004044 W KR 2021004044W WO 2021201622 A1 WO2021201622 A1 WO 2021201622A1
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WO
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layer
dbr film
color
dbr
solar cell
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PCT/KR2021/004044
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French (fr)
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김경곤
샤피안노샤피다 아부
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이화여자대학교 산학협력단
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Publication date
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present application relates to a color-type DBR film manufactured through a low-temperature solution process, a manufacturing method thereof, and a CIGS solar cell to which the color-type DBR film is applied.
  • a solar cell is a device based on a semiconductor principle, and has the characteristic of converting solar energy into electrical energy.
  • BIPV building-integrated solar cells
  • the solar cell In order to apply the solar cell to urban living structures, it must be a solar cell capable of maintaining high efficiency for light of various intensities as well as stability that can be operated for a long time outside.
  • Dye-sensitized and organic solar cells can implement a variety of colors, but have low color purity due to a broad absorption spectrum, and require improved efficiency and stability for commercialization.
  • perovskite solar cells Although perovskite solar cells have high efficiency, they need to secure stability, and there is a limitation in that it is difficult to realize various colors due to the nature of inorganic materials.
  • CIGS solar cell is the most suitable solar cell among next-generation solar cells to be applied to urban structures mainly installed outside due to its high efficiency and stability, but it is difficult to realize various colors due to the nature of inorganic materials.
  • Fabry-Perot interferometer In order to apply solar cells to urban living structures, aesthetics are essential in addition to efficiency and stability. In order to realize the aesthetics of the next-generation CIGS solar cell, it is necessary to develop a design that can be applied to various urban living structures with permeability and various colors for CIGS solar cells. / A method using internal reflection of a multilayer metal thin film (Fabry-Perot interferometer) and a Distributed Bragg reflector (DBR) are used. Fabry-Perot interferometer has high color purity but low transmittance, so there is a problem in that a lot of efficiency reduction is inevitable while implementing color in solar cells.
  • DBR Distributed Bragg reflector
  • DBR Distributed Bragg reflector
  • FWHM narrow bandwidth
  • Patent Document 0001 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0076890
  • An object of the present application is to provide a color-type DBR film manufactured through a low-temperature solution process, a manufacturing method thereof, and a CIGS solar cell to which the color-type DBR film is applied.
  • a first aspect of the present disclosure is to form a first layer through a solution process of a first solution comprising a first layer precursor material; and forming a second layer through a solution process of a second solution containing a second layer precursor material to prepare a unit laminate.
  • a second aspect of the present application is a color-type DBR film produced through the method for producing a DBR film according to the first aspect, and expresses blue, green, and red colors by controlling the thickness of the first layer, the second layer, or both. It provides a color-type DBR film.
  • a third aspect of the present application provides a CIGS solar cell to which the color DBR film according to the second aspect is applied.
  • the DBR filter manufacturing method according to the present invention has the effect of manufacturing a multi-layer thin film through a low-temperature continuous solution process, and thus can be performed at low cost and a large-area DBR filter can be manufactured.
  • the color DBR film according to the present application is a flexible polymer-based film, it has a feature that can be applied to a solar cell module of a curved surface rather than a flat surface.
  • the color DBR film according to the embodiments of the present application has high light transmittance when applied to a building-integrated solar cell, so that the efficiency of the solar cell can be maintained within 10% without lowering the efficiency, and at the same time a narrow reflection wavelength width (FWHM) It has the characteristic of giving aesthetics to the exterior wall of a building because it can express colors with high color purity.
  • FWHM narrow reflection wavelength width
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a manufacturing strategy of a DBR film using a low-temperature solution process in one embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a DBR film in one embodiment of the present application.
  • 3A is a graph showing reflectance (i) and CIE data (ii) according to the number of stacks in the DBR film (blue) according to an embodiment of the present application.
  • 3B is a graph showing reflectance (i) and CIE data (ii) according to the number of stacks in the DBR film (green) according to an embodiment of the present application.
  • 3C is a graph showing reflectance (i) and CIE data (ii) according to the number of stacks in the DBR film (red) according to an embodiment of the present application.
  • Figure 4a is a graph showing the reflectance of each wavelength band in the 37 layer in the DBR film according to an embodiment of the present application.
  • Figure 4b is a graph showing CIE data of each wavelength band in the 37 layer in the DBR film according to an embodiment of the present application.
  • 4c is a photograph showing color expression in the 37th layer in the DBR film according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 5 is a SEM photograph of a cross section of the film in the DBR film according to an embodiment of the present application.
  • Figure 6a shows the reflectance (i) and the color expression photograph (ii) of the DBR film (blue) according to an embodiment of the present application according to the number of layers in the case of a large area of 5 cm X 5 cm.
  • Figure 6b in the DBR film (green) according to an embodiment of the present application, shows the reflectance (i) and color expression photograph (ii) thereof according to the number of stacks in a case of a large area of 5 cm X 5 cm.
  • 6c is a graph showing CIE data in the case of a large area of 5 cm X 5 cm in the DBR film according to an embodiment of the present application.
  • 6d is, in the DBR film ((i) and (ii)) according to an embodiment of the present application, the center (X 1, X4) in the color expression photograph in the case of a large area of 5 cm X 5 cm, at the center It is a photograph showing the position (X2, X5) at a radius of 1.5 cm and the position at a radius of 3 cm from the center (X3, X6).
  • 6e is a graph showing reflectance according to each position in the case of a large area of 5 cm X 5 cm in the DBR film according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 7 is a graph showing reflectance measured with a confocal microscope in a CIGS solar cell to which a DBR film according to an embodiment of the present application is applied.
  • FIG. 8A is a photograph showing the appearance according to the number of layers in the CIGS solar cell to which the DBR film according to an embodiment of the present application is applied.
  • 8B is a photograph showing the appearance according to the number of layers in the substrate to which the DBR film according to an embodiment of the present application is applied.
  • 9A is a photograph showing each point measured by a confocal microscope in a CIGS solar cell to which a DBR film according to an embodiment of the present application is applied.
  • FIG. 9b is a graph comparing reflectance spectra of a DBR simulated by MATLAB at each point, a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a glass substrate in an embodiment of the present application.
  • FIG. 9c is a graph comparing reflectance spectra of a DBR simulated by MATLAB at each point, a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a glass substrate in an embodiment of the present application.
  • FIG. 9d is a graph comparing reflectance spectra in a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a DBR simulated by MATLAB at each point, and a glass substrate, in an embodiment of the present application.
  • 10A is a photograph showing a spin coater using a chuck made of a metal material and a DBR film manufactured through the spin coater in the prior art.
  • FIG. 10b is a photograph showing a spin coater using a chuck made of polypropylene and a DBR film manufactured through this, according to an embodiment of the present application.
  • 11A is a photograph showing the appearance according to the number of layers in the CIGS solar cell to which the DBR film (blue) according to an embodiment of the present application is applied.
  • 11B is a graph comparing reflectance spectra of DBR simulated by MATLAB at each point, a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a glass substrate in an embodiment of the present application.
  • 11c is a graph comparing reflectance spectra in a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a DBR simulated by MATLAB at each point, and a glass substrate, in an embodiment of the present application.
  • FIG. 12A is a photograph showing the appearance according to the number of layers in a CIGS solar cell to which a DBR film (green) according to an embodiment of the present application is applied.
  • FIG. 12b is a graph comparing reflectance spectra of a DBR simulated by MATLAB at each point, a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a glass substrate in an embodiment of the present application.
  • FIG. 12c is a graph comparing reflectance spectra of a DBR simulated by MATLAB at each point, a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a glass substrate in an embodiment of the present application.
  • 13A is a photograph showing the appearance according to the number of layers in a CIGS solar cell to which a DBR film (red) according to an embodiment of the present application is applied.
  • 13B is a graph comparing reflectance spectra in a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a DBR simulated by MATLAB at each point, and a glass substrate, in an embodiment of the present application.
  • 13c is a graph comparing reflectance spectra of DBR simulated by MATLAB at each point, a CIGS solar cell to which a DBR film is applied, and a glass substrate in an embodiment of the present application.
  • Figure 14b shows the appearance (i), J-V curve (ii), and EQE spectrum (iii) in the CIGS solar cell to which the DBR film (green) is applied according to an embodiment of the present application.
  • 14c shows the appearance (i), J-V curve (ii), and EQE spectrum (iii) in the CIGS solar cell to which the DBR film (red) is applied according to an embodiment of the present application.
  • step of or “step of” to the extent used does not mean “step for.”
  • a first aspect of the present disclosure is to form a first layer through a solution process of a first solution comprising a first layer precursor material; and forming a second layer through a solution process of a second solution containing a second layer precursor material to prepare a unit laminate.
  • the color filter of the prior art is used in a CIGS solar cell, there is a problem in that color purity and light transmittance are inferior, or there is a problem in that the process cost is high because it is manufactured through a deposition process.
  • the method of manufacturing a DBR filter according to the present application can be performed at low cost by manufacturing a multilayer thin film through a low-temperature solution process, and a large-area DBR filter can be manufactured.
  • the DBR filter manufactured in this way not only expresses R, G, and B colors, but also has the effect of not lowering the light efficiency of the CIGS solar cell.
  • the first layer and the second layer may be formed by performing spin coating of the first solution and the second solution, respectively, and drying.
  • the spin coating may be to use a polymer material instead of a metal material for the chuck of the spin coater.
  • the polymer material may be polypropylene, polyvinyl chloride or polystyrene.
  • the drying may be carried out at about 30 °C to about 90 °C. Specifically, the drying is about 30 °C to about 90 °C, about 40 °C to about 90 °C, about 50 °C to about 90 °C, about 60 °C to about 90 °C, about 30 °C to about 80 °C, about 30 °C to It may be carried out at about 70 °C, about 40 °C to about 80 °C, about 50 °C to about 80 °C, or about 60 °C to about 80 °C.
  • the drying is carried out at less than 30 °C, there is a problem that the drying time is too long, if the drying is carried out at a temperature exceeding 90 °C, it cannot be considered a low-temperature process, and the drying may proceed quickly, but the film surface Cracks may occur, and there may be a problem in that the process cost is excessive.
  • the formation of the unit laminate may be repeated 3 times to form the 7th layer to 25 times to form the 51 layer.
  • the unit laminate may be formed as a plurality by laminating a plurality of times, and may be repeated 3 times to form 7 layers to 25 times to form 51 layers.
  • the desired reflected wavelength width (FWHM) does not appear, and it may be formed by repeating 25 or more times. As this decreases, there may be a problem that the process efficiency is lowered.
  • the first layer precursor material may be a metal oxide-ligand composite nanoparticle in which an acetylacetone ligand or a catechol ligand is coordinated to the surface of the metal oxide nanoparticle.
  • the metal oxide-ligand composite nanoparticles may have a size of about 10 nm or less, but is not limited thereto.
  • the size of the metal oxide-ligand composite nanoparticles is about 10 nm or less, about 8 nm or less, about 6 nm or less, about 4 nm or less, about 2 nm or less, about 1 nm to about 10 nm, about 2 nm to about 10 nm, about 3 nm to about 10 nm, about 4 nm to about 10 nm, about 5 nm to about 10 nm, about 6 nm to about 10 nm, about 7 nm to about 10 nm, about 8 nm to about 10 nm, about 9 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 8 nm, about 3 nm to about 8 nm, about 5 nm to about 8 nm, about 7 nm to about 8 nm, about 8 nm, about 9
  • the acetylacetone ligand or the catechol ligand is coordinated to the surface of the metal oxide nanoparticles, and the solvent dispersibility of the composite nanoparticles is excellent when preparing the first solution and the second solution There is a characteristic.
  • the metal oxide may include one or more selected from TiO 2 , WO 3 , VO 3 , and ZrO 2 , but is not limited thereto.
  • the acetylacetone ligand may include one represented by the following formula (1), but is not limited thereto:
  • the catechol ligand may include one represented by the following formula (2), but is not limited thereto:
  • R1 and R2 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; heavy hydrogen; halogen group; nitrile group; nitro group; hydroxyl group; carbonyl group; ester group; imid; amide group; a substituted or unsubstituted alkyl group; a substituted or unsubstituted cycloalkyl group; a substituted or unsubstituted alkoxy group; a substituted or unsubstituted aryloxy group; A substituted or unsubstituted alkylthio group; a substituted or unsubstituted arylthioxy group; A substituted or unsubstituted alkylsulfoxy group; a substituted or unsubstituted arylsulfoxy group; a substituted or unsubstituted alkenyl group; a substituted or unsubstituted silyl group; a substituted or unsubstituted boron group; a
  • the acetylacetone ligand or the catechol ligand is coordinated to the surface of the metal oxide nanoparticles to prevent an increase in the size of the metal oxide nanoparticles.
  • the second layer precursor material is polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide, PDMS, poly acrylate, polyurethane acrylate (PUA) and silicon dioxide. (SiO 2 ) It may include one or more selected from, but is not limited thereto.
  • the refractive index of the first layer may be 1.6 to 2.0, and the refractive index of the second layer may be 1.0 to 1.5, but is not limited thereto.
  • the refractive index of the first layer may be 1.6 to 2.0 or 1.6 to 1.9, 1.6 to 1.8, and the refractive index of the second layer may be 1.0 to 1.5, 1.1 to 1.5, 1.2 to 1.5, or 1.3 to 1.5, It is not limited thereto.
  • the refractive index of the first layer may be larger than that of the second layer, and due to the difference in refractive index, the DBR film formed as a multilayer thin film can achieve a narrow reflection wavelength width (FWHM), and exhibit excellent reflectance to express color can do.
  • FWHM narrow reflection wavelength width
  • a second aspect of the present application is a color-type DBR film produced through the method for producing a DBR film according to the first aspect, and expresses blue, green, and red colors by controlling the thickness of the first layer, the second layer, or both. It provides a color-type DBR film.
  • the thickness of the first layer may be from about 20 nm to about 50 nm, and the thickness of the second layer may be from about 100 nm to about 180 nm.
  • the thickness of the first layer may be from about 20 nm to about 50 nm, from about 30 nm to about 50 nm, or from about 30 nm to about 40 nm.
  • the thickness of the second layer may be about 100 nm to about 180 nm, and more specifically, the thickness of the second layer is about 100 nm to about 140 nm, about 100 nm to about 130 for blue expression.
  • the thickness of the second layer may be from about 120 nm to about 160 nm, from about 120 nm to about 150 nm or from about 130 nm to about 150 nm, , for red expression, the thickness of the second layer may be from about 150 nm to about 180 nm, from about 160 nm to about 180 nm, or from about 160 nm to about 170 nm.
  • the thickness of the first layer exceeds 50 nm, cracks may occur on the surface of the manufactured film, and if it is less than 20 nm, haze may occur in the manufactured film because it is too thin. Therefore, control of the thickness of the first layer and the thickness of the second layer is absolutely necessary for the formation of a high-quality film and color expression.
  • the color DBR film has a reflection wavelength width (FWHM) of blue and green wavelengths of 70 nm or less, a reflection wavelength width of a red wavelength of 100 nm or less, and a reflectance at the reflection wavelength It may represent 90% or more.
  • the color DBR film has a reflection wavelength width (FWHM) of 70 nm, 60 nm, or 50 nm or less for blue and green wavelengths, and 100 nm, 90 nm or 80 nm or less for a reflection wavelength width of a red wavelength, and , the reflectance at the reflection wavelength may be 90%, 92%, or 95% or more.
  • the color DBR film is a flexible polymer-based film, it has a feature that can be applied to a solar cell module having a curved surface rather than a flat surface.
  • a third aspect of the present application provides a CIGS solar cell to which the color DBR film according to the second aspect is applied.
  • the color DBR film according to the present application can be applied to a silicon solar cell, an organic solar cell, a perovskite solar cell, etc. other than a CIGS solar cell.
  • the color filter of the prior art was applied to the silicon solar cell, etc., and showed adequate color efficiency and light efficiency, but when applied to a CIGS solar cell, the effect was not properly exhibited.
  • the color-type DBR film according to the present application can exhibit high color purity and high transmittance even when applied to CIGS solar cells, so it is the only color-type DBR film that gives aesthetics to CIGS solar cells and does not reduce solar cell efficiency to less than 10%. There is this.
  • the CIGS solar cell may be a building-integrated solar cell (BIPV), but is not limited thereto.
  • the color DBR film according to the present application has high light transmittance when applied to a building-integrated solar cell, so that the efficiency of the solar cell can be maintained within 10% without lowering the efficiency, while at the same time having a narrow reflection wavelength width (FWHM) It is possible to express colors with high color purity by implementing the
  • the CIGS solar cell includes a substrate; a lower electrode layer disposed on the substrate; a light absorbing layer disposed on the lower electrode layer; an upper electrode layer disposed on the light absorbing layer; and a buffer layer disposed between the upper electrode layer and the light absorption layer.
  • the CIGS solar cell may be any commercially available solar cell.
  • content that may be common to each other may be applied to all of the first to third aspects even if the description thereof is omitted.
  • TiO 2 -AcAc having a high refractive index was synthesized by mixing titanium n-butoxide (Ti(OBu n ) 4 ) and acetylacetone (AcAc) in n-butanol. Then, an acidic aqueous solution of para-toluene sulfonic acid (PTSH) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 15 minutes until the exothermic reaction was completed. After mixing at room temperature for 1 hour, the solution was heated at 60° C. overnight. The resulting solution was precipitated in toluene and centrifuged at 4000 rpm to obtain TiO 2 -AcAc nanoparticles.
  • Ti(OBu n ) 4 titanium n-butoxide
  • AcAc acetylacetone
  • TiO 2 -AcAc nanoparticles were then completely dried in a vacuum chamber for at least 5 hours and stored under ambient air.
  • TiO 2 -AcAc nanoparticles were dissolved in n-butanol at a concentration of 20-mg/ml and filtered using 0.1 ⁇ m polytetrafluoroethylene (PTFE) for further use.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • a first layer comprising TiO 2 -AcAc nanoparticles was deposited through spin coating in ambient air, dried on a hot plate at 70° C. for 2 minutes, cooled at room temperature for 1 minute, and a first layer of 35 nm thickness was obtained. Thereafter, a second layer having a different layer thickness was further laminated by spin coating PMMA in ambient air. Each layer was subjected to the same drying process by adjusting the thickness of each layer (115 nm for blue, 145 nm for green, 175 nm for red) for a desired color to obtain a pair. This step was repeated up to 37 layers.
  • the DBR film was produced in a size of 1 inch X 1 inch (Example 1) and 5 cm X 5 cm (Example 2).
  • the reflectance according to the number of layers was confirmed through simulation using MATLAB, and the color indicated by DBR was predicted through CIE to establish process conditions for DBR film lamination (FIGS. 3a to Figs. 3c and 4a to 4c).
  • TEM and SEM were measured to observe the cross-sectional view of the DBR film. Since TEM and SEM using ion beam damage the cross-section of the DBR, making it impossible to measure, a small piece of DBR was resined with epoxy and was measured using microtome technology at low temperature. As a result of the measurement, it was confirmed that the cross section of the DBR film of Example 1 was evenly and well generated ( FIG. 5 ).
  • Example 2 having a size of 5 cm X 5 cm
  • the reflectance and color were the same as those of Example 1 having a size of 1 inch X 1 inch even when coated on a large area ( FIGS. 6a to 6c ).
  • a DBR film was laminated on the CIGS solar cell received from KIST under the continuous solution process conditions established in Examples 1 and 2. All manufacturing processes were carried out at a low temperature so as not to damage the CIGS solar cell and not to degrade the performance (Example 3).
  • both samples have a blue color when more than a certain amount of coating (first layer 35 nm, second layer 110 nm) is applied, and the color increases as more layers are added. It became clearer ( FIGS. 7 , 8A and 8B ). However, all of them showed a circular gradation color in the center of the substrate, which was determined to be due to the temperature difference between the metal part and the rubber part in the chuck of the spin coater ( FIGS. 9A to 9D and Table 1 below).
  • the reflectance of the CIGS color compared to the reference was maintained over 90%, and the reflected wavelength width (FWHM) was measured as blue, green ⁇ 70 nm, and red ⁇ 100 nm. (FIGS. 11A-11C, 12A-12B, and 13A-13C).
  • the CIGS solar cell of the example to which the DBR film of the example is applied compared the efficiency before and after film coating. confirmed that the color can be expressed without lowering the efficiency of the CIGS solar cell.

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Abstract

본 발명의 제 1 측면은, 제 1 층 전구체 물질을 포함하는 제 1 용액의 용액공정을 통해 제 1 층을 형성하고, 제 2 층 전구체 물질을 포함하는 제 2 용액의 용액공정을 통해 제 2 층을 형성하여, 단위 적층체를 제조하는 것을 포함하는 DBR 필름의 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 DBR 필름의 제조 방법을 통해 제조되는 색상형 DBR 필름으로서, 제 1 층, 제 2 층 또는 둘 모두의 두께를 조절하여 청색, 녹색, 적색을 발현하는 것인 색상형 DBR 필름을 제공하는 것이다. 본 발명의 제 3 측면은, 제 2 측면에 따른 색상형 DBR 필름이 적용된 CIGS 태양전지를 제공하는 것이다.

Description

색상형 디비알 필름 및 이의 제조 방법
본원은, 저온 용액공정을 통해 제조된 색상형 DBR 필름, 이의 제조 방법 및 색상형 DBR 필름이 적용된 CIGS 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 반도체 원리를 기반으로 하는 소자로서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있는 특성을 가지고 있다. 도시에서 독립 전원으로 사용될 수 있는 건물일체형 태양전지 (BIPV)를 비롯한 도시 생활 구조물에 적용될 수 있는 태양전지 개발은 그 시장성이 기대되어 파급효과가 큰 분야이다.
태양전지를 도시 생활 구조물에 적용하기 위하여서는 외부에서 장기간 작동가능한 안정성뿐만 아니라 다양한 세기의 빛에 대하여 고효율을 유지할 수 있는 태양전지이어야 한다. 염료감응형 및 유기태양전지는 다양한 색상을 구현할 수 있으나 넓은 흡수 스펙트럼으로 색순도가 낮으며, 상용화를 위하여서는 효율 및 안정성 향상이 필요한 설징이다. 페로브스카이트 태양전지는 효율은 높으나 안정성을 확보할 필요가 있으며 무기소재 특성상 다양한 색상 구현이 어려운 한계점이 있다. CIGS 태양전지는 효율과 안정성 모두 높아서 주로 외부에 설치되는 도시 생활 구조물에 적용하기는 차세대 태양전지 중 가장 적합한 태양전지이지만 무기소재 특성상 다양한 색상 구현이 어렵다.
태양전지를 도시 생활 구조에 적용하기 위하여서는 효율 및 안정성 이외에 심미성(aesthetic)이 필수적 요구된다. 차세대 CIGS 태양전지의 심미성을 구현하기 위하여서는 CIGS 태양전지가 투과성 및 다양한 색상을 가지고 다양한 도시 생활 구조물에 적용할 수 있는 디자인 개발이 필요한 실정이며 태양전지에 다양 한 색상을 구현하기 위하여 주로 금속/산화물/금속 다층 박막의 내부 반사를 이용하는 방법(Fabry-Perot interferometer)와 분산 브레그 반사경(Distributed Bragg reflector, DBR)이 사용되고 있다. Fabry-Perot interferometer는 색순도는 높으나 투과도가 낮아서 태양전지에 색상을 구현하면서 많은 효율 감소를 피할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 고색순도 및 고투과도 특성을 동시에 가지기 위하여서는 원하는 파장에서 좁은 밴드폭(FWHM)의 흡수를 가지는 분산 브레그 반사경 (Distributed Bragg reflector, 이하 DBR이라 함)를 사용하는 것이 가장 이상적이라고 볼 수 있다. 하지만 DBR를 구성하기 위하여서는 통상 여러층의 다층 박막을 진공공정으로 제조하여야 하므로 높은 비용이 요구가 되고, 증착공정으로 제작된 DBR필터는 주로 광학분야에서 band pass filter로 고가로 판매되고 있으며 이 필터를 적용한 색상형 태양전지는 낮은 경제성으로 아직 상용화가 되어있지 않은 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 0001) 대한민국 공개특허공보 제 10-2018-0076890 호
본원은, 저온 용액공정을 통해 제조된 색상형 DBR 필름, 이의 제조 방법 및 색상형 DBR 필름이 적용된 CIGS 태양전지를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 제 1 층 전구체 물질을 포함하는 제 1 용액의 용액공정을 통해 제 1 층을 형성하고; 및 제 2 층 전구체 물질을 포함하는 제 2 용 액의 용액공정을 통해 제 2 층을 형성하여, 단위 적층체를 제조하는 것을 포함하는, DBR 필름의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 DBR 필름의 제조 방법을 통해 제조되는 색상형 DBR 필름으로서, 상기 제 1 층, 제 2 층 또는 둘 모두의 두께를 조절하여 청색, 녹색, 적색을 발현하는 것인, 색상형 DBR 필름을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 제 2 측면에 따른 색상형 DBR 필름이 적용된, CIGS 태양전지를 제공한다.
본원의 구현예들에 있어서, 종래 기술의 색상형 필터는 CIGS 태양전지에 사용되기에 색순도 및 광투과도가 떨어지는 문제가 있거나 증착 공정을 통해 제조되어 공정 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다. 그러나, 본원에 따른 DBR 필터의 제조 방법은, 저온 연속 용액공정을 통해 다층 박막을 제조함으로써 저비용으로 수행할 수 있을 뿐 아니라 대면적의 DBR 필터를 제조할 수 있는 효과가 있다.
본원의 구현예들에 있어서, 본원에 따른 색상형 DBR 필름은 유연성이 있는 고분자 기반의 필름이므로, 평면이 아닌 곡면 형태의 태양전지 모듈에도 적용할 수 있는 특징이 있다.
본원의 구현예들에 따른 색상형 DBR 필름은, 건물일체형 태양전지에 적용될 경우 광투과도가 높아 태양전지의 효율을 10% 이내로 유지할 수 있어 그 효율을 떨어뜨리지 않고, 동시에 좁은 반사파장 폭(FWHM)을 구현하여 높은 색순도로 써 색상을 발현할 수 있으므로 건물 외벽에 심미감을 부여할 수 있는 특징이 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 저온 용액공정을 이용한 DBR 필름의 제조 전략을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, DBR 필름의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(청색)에 있어서, 적층 개수에 따른 반사율(i) 및 CIE 데이터(ii)를 나타내는 그래프이다.
도 3b는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(녹색)에 있어서, 적층 개수에 따른 반사율(i) 및 CIE 데이터(ii)를 나타내는 그래프이다.
도 3c는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(적색)에 있어서, 적층 개수에 따른 반사율(i) 및 CIE 데이터(ii)를 나타내는 그래프이다.
도 4a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름에 있어서, 37층에의 각 파장대 의 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 4b는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름에 있어서, 37층에의 각 파장대 의 CIE 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 4c는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름에 있어서, 37층에의 색상 발현을 나타내는 사진이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름에 있어서, 필름 단면의 SEM 사진 이다.
도 6a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(청색)에 있어서, 5 cm X 5 cm의 대면적인 경우에서의 적층 개수에 따른 반사율(i) 및 이의 색상 발현 사진(ii)을 나타낸다.
도 6b는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(녹색)에 있어서, 5 cm X 5 cm의 대면적인 경우에서의 적층 개수에 따른 반사율(i) 및 이의 색상 발현 사진(ii)을 나타낸다.
도 6c는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름에 있어서, 5 cm X 5 cm의 대면 적인 경우에서의 CIE 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 6d는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름((i) 및 (ii))에 있어서, 5 cm X 5 cm의 대면적인 경우에서의 색상 발현 사진에서 중심(X 1, X4), 중심에서 1.5 cm 반경의 위치(X2, X5), 중심에서 3 cm 반경의 위치(X3, X6)를 나타낸 사진이다.
도 6e는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름에 있어서, 5 cm X 5 cm의 대면적인 경우에서의 각 위치에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지에 있어서, 공초점 현미경(confocal microscope)으로 측정한 반사율을 나타낸 그래프이다
도 8a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지에 있어서, 각 적층 수에 따른 외관을 나타낸 사진이다
도 8b는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름을 적용한 기판에 있어서, 각 적 층 수에 따른 외관을 나타낸 사진이다
도 9a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지에 있어서, 공초점 현미경(confocal microscope)으로 측정한 각 지점을 나타낸 사진이다.
도 9b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 9c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 9d는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 10a는, 종래 기술의 스핀코팅에 있어서, 메탈 소재의 척을 이용한 스핀코 팅기 및 이를 통해 제조한 DBR 필름을 나타내는 사진이다.
도 10b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 폴리프로필렌 소재의 척을 이용한 스 핀코팅기 및 이를 통해 제조한 DBR 필름을 나타내는 사진이다.
도 11a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(청색)을 적용한 CIGS 태양전지 에 있어서, 각 적층 수에 따른 외관을 나타낸 사진이다.
도 11b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 11c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 12a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(녹색)을 적용한 CIGS 태양전지 에 있어서, 각 적층 수에 따른 외관을 나타낸 사진이다.
도 12b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 12c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 13a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(적색)을 적용한 CIGS 태양전지 에 있어서, 각 적층 수에 따른 외관을 나타낸 사진이다.
도 13b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 13c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각 지점에서의 MATLAB 시뮬레이션한 DBR, DBR 필름을 적용한 CIGS 태양전지 및 유리 기판에서의 반사율 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 14a는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(청색)을 적용한 CIGS 태양전지 에 있어서, 외관(i), J-V curve(ii) 및 EQE 스펙트럼(iii)을 나타낸 것이다.
도 14b는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(녹색)을 적용한 CIGS 태양전지 에 있어서, 외관(i), J-V curve(ii) 및 EQE 스펙트럼(iii)을 나타낸 것이다.
도 14c는, 본원의 일 실시예에 따른 DBR 필름(적색)을 적용한 CIGS 태양전지 에 있어서, 외관(i), J-V curve(ii) 및 EQE 스펙트럼(iii)을 나타낸 것이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 디바이스를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합 (들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택 되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루 어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 제 1 층 전구체 물질을 포함하는 제 1 용액의 용액공정을 통해 제 1 층을 형성하고; 및 제 2 층 전구체 물질을 포함하는 제 2 용 액의 용액공정을 통해 제 2 층을 형성하여, 단위 적층체를 제조하는 것을 포함하는, DBR 필름의 제조 방법을 제공한다.
구체적으로, 종래 기술의 색상형 필터는 CIGS 태양전지에 사용되기에 색순도 및 광투과도가 떨어지는 문제가 있거나, 증착 공정을 통해 제조되어 공정 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다. 그러나, 본원에 따른 DBR 필터의 제조 방법은, 저온 용액 공정을 통해 다층 박막을 제조함으로써 저비용으로 수행할 수 있을 뿐 아니라 대면적의 DBR 필터를 제조할 수 있다. 또한, 이렇게 제조된 DBR 필터가 R, G, B 색상을 발현할 뿐만 아니라, CIGS 태양전지의 광 효율을 떨어뜨리지 않는 효과가 있는 특징이 있다
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은, 각각 상기 제 1 용액 및 상기 제 2 용액의 스핀코팅을 수행하고, 건조하는 단계를 통해 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 스핀코팅은 스핀코팅기의 척을 메탈 소재가 아닌 고분자 소재를 사용하는 것일 수 있다. 상기 고분자 소재는 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 또는 폴리스티렌일 수 있다. 상기 스핀코팅기의 척을 고분자 소재를 사용할 경우 제조된 필름의 그라데이션 색상의 발현을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 건조는 약 30℃ 내지 약 90℃에서 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 건조는 약 30℃ 내지 약 90℃, 약 40℃ 내지 약 90℃, 약 50℃ 내지 약 90℃, 약 60℃ 내지 약 90℃, 약 30℃ 내지 약 80℃, 약 30℃ 내지 약 70℃, 약 40℃ 내지 약 80℃, 약 50℃ 내지 약 80℃ 또는 약 60℃ 내지 약 80℃에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 건조가 30℃ 미만에서 수행될 경우, 건조 시간이 지나치게 소요되는 문제가 있으며, 상기 건조가 90℃를 초과한 온도에서 수행될 경우 저온 공정이라 볼 수 없고, 건조는 빠르게 진행될 수 있으나 필름 표면에 균열이 발생할 수 있으며 공정 비용이 지나치게 소요되는 문제점이 발생할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위 적층체의 형성은 3번 반복되어 7층 형성 내지 25번 반복되어 51층을 형성하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 단위 적층체는 복수번 적층하여 복수 개로서 형성될 수 있으며, 3번 반복되어 7층 형성 내지 25번 반복되어 51층을 형성할 수 있다. 3번 미만으로 반복하여 DBR 필름을 형성할 경우에는 목적하는 반사파장 폭(FWHM)이 나타나지 않으며, 25번 이상 반복되어 형성될 수도 있으나, 이 때에는 추가되는 효과에 비해 공정 비용 증가 정도가 커져 한계효용이 감소하므로 공정 효율이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층 전구체 물질은, 금속 산화물 나노입자의 표면에 아세틸아세톤 리간드 또는 카테콜 리간드가 배위결합된 금속 산화물-리간드 복합 나노입자인 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물-리간드 복합 나노입자는 약 10 nm 이하의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 상기 금속 산화물-리간드 복합 나노입자의 크기는 약 10 nm 이하, 약 8 nm 이하, 약 6 nm 이하, 약 4 nm 이하, 약 2 nm 이하, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 2 nm 내지 약 10 nm, 약 3 nm 내지 약 10 nm, 약 4 nm 내지 약 10 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 6 nm 내지 약 10 nm, 약 7 nm 내지 약 10 nm, 약 8 nm 내지 약 10 nm, 약 9 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 8 nm, 약 3 nm 내지 약 8 nm, 약 5 nm 내지 약 8 nm, 약 7 nm 내지 약 8 nm, 약 1 nm 내지 약 6 nm, 약 3 nm 내지 약 6 nm, 약 5 nm 내지 약 6 nm, 약 1 nm 내지 약 4 nm, 약 3 nm 내지 약 4 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 2 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 산화물-리간드 복합 나노입자는 상기 금속 산화물 나노입자의 표면에 상기 아세틸아세톤 리간드 또는 상기 카테콜 리간드가 배위결합되어, 제 1 용액 및 제 2 용액 제조 시 상기 복합 나노입자의 용매 분산성이 우수한 특징이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물은 TiO2, WO3, VO3, 및 ZrO2 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 아세틸아세톤 리간드는 하기 화학식 1로써 표시되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
[화학식 1]
Figure PCTKR2021004044-appb-I000001
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 카테콜 리간드는 하기 화학식 2로써 표시되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
[화학식 2]
Figure PCTKR2021004044-appb-I000002
상기 화학식 1에서, 상기 R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 카보닐기; 에스테르기; 이미드기; 아미드기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환또는 비치환된 아민기; 치환 또는 비치환된 아릴포스핀기; 치환 또는 비치환된 포스핀옥사이드기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기임.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물 나노입자 표면에 상기 아세틸아세톤 리간드 또는 상기 카테콜 리간드가 배위결합되어 상기 금속 산화물 나노입자의 크기가 증가되는 것을 방지할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 제 2 층 전구체 물질은, 폴리메틸 메타 크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(polyimide), PDMS, 폴리아크릴레이트(poly acrylate), 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 및 이산화규소(SiO2) 중에서 선택되는 하 나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층의 굴절률은 1.6 내지 2.0이고, 상기 제 2 층의 굴절률은 1.0 내지 1.5인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 제 1 층의 굴절률은 1.6 내지 2.0 또는 1.6 내지 1.9, 1.6 내지 1.8이고, 상기 제 2 층의 굴절률은 1.0 내지 1.5, 1.1 내지 1.5, 1.2 내지 1.5 또는 1.3 내지 1.5인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 제 1 층의 굴절률은 상기 제 2층의 굴절률에 비해 큰 것일 수 있으며, 상기 굴절률 차로 인해 다층 박막 형성된 DBR 필름은 좁은 반사파장 폭(FWHM)을 달성할 수 있으며, 우수한 반사율을 나타내어 색상을 발현할 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 DBR 필름의 제조 방법을 통해 제조되는 색상형 DBR 필름으로서, 상기 제 1 층, 제 2 층 또는 둘 모두의 두께를 조절하여 청색, 녹색, 적색을 발현하는 것인, 색상형 DBR 필름을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층의 두께는 약 20 nm 내지 약 50 nm이고, 상기 제 2 층의 두께는 약 100 nm 내지 약 180 nm인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 층의 두께는 약 20 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 50 nm 또는 약 30 nm 내지 약 40 nm 일 수 있다. 또한, 상기 제 2 층의 두께는 약 100 nm 내지 약 180 nm인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로, 청색 발현을 위해 상기 제 2 층의 두께는 약 100 nm 내지 약 140 nm, 약 100 nm 내지 약 130 nm 또는 약 100 nm 내지 약 120 nm일 수 있으며, 녹색 발현을 위해 상기 제 2 층의 두께는 약 120 nm 내지 약 160 nm, 약 120 nm 내지 약 150 nm 또는 약 130 nm 내지 약 150 nm일 수 있으며, 적색 발현을 위해 상기 제 2 층의 두께는 약 150 nm 내지 약 180 nm, 약 160 nm 내지 약 180 nm 또는 약 160 nm 내지 약 170 nm일 수 있다. 상기 제 1 층의 두께 가 50 nm를 초과하는 경우에는 제조된 필름의 표면에 균열이 발생할 수 있으며, 20 nm 미만인 경우에는 지나치게 얇기 때문에 제조된 필름에 헤이즈가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 제 1 층의 두께 및 제 2 층의 두께의 조절은 완성도 높은 필름 의 형성 및 색상 발현을 위해 꼭 필요하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 색상형 DBR 필름은, 청색 및 녹색 파장의 반사파장 폭(FWHM)이 70 nm 이하이고, 적색 파장의 반사파장 폭이 100 nm 이하이고, 반사 파장에서의 반사율이 90% 이상을 나타내는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 색상형 DBR 필름은, 청색 및 녹색 파장의 반사파장 폭(FWHM)이 70 nm, 60 nm 또는 50 nm 이하이고, 적색 파장의 반사파장 폭이 100 nm, 90 nm 또는 80 nm 이하이고, 반사 파장에서의 반사율이 90%, 92% 또는 95% 이상을 나타내는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 색상형 DBR 필름은 유연성이 있는 고분자 기반의 필름이므로, 평면이 아닌 곡면 형태의 태양전지 모듈에도 적용할 수 있는 특징이 있다.
본원의 제 3 측면은, 제 2 측면에 따른 색상형 DBR 필름이 적용된, CIGS 태양전지를 제공한다. 구체적으로, 본원에 따른 색상형 DBR 필름은 CIGS 태양 전지가 아닌 실리콘 태양전지, 유기 태양전지 및 페로브스카이트 태양전지 등에도 적용할 수 있다. 그러나, 종래 기술의 색상형 필터는 상기 실리콘 태양 전지 등에 적용되어 색상 효율 및 광 효율이 적절하게 나타냈으나, CIGS 태양전지에 적용되었을 때에는 그 효과를 제대로 발휘하지 못하였다. 그러나, 본원에 따른 색상형 DBR 필름은 CIGS 태양전지에 적용되어서도 고도의 색순도 및 고투과를 나타낼 수 있어 CIGS 태양전지에 심미감을 부여하고 태양전지 효율을 10% 이내로 떨어뜨리지 않는 유일한 색상형 DBR 필름인 특징이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 CIGS 태양전지는 건물일체형 태양 전지(BIPV)인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 본원에 따른 색상형 DBR 필름은, 건물일체형 태양전지에 적용될 경우 광투과도가 높아 태양전지 의 효율을 10% 이내로 유지할 수 있어 그 효율을 떨어뜨리지 않고, 동시에 좁은 반 사파장 폭(FWHM)을 구현하여 높은 색순도로써 색상을 발현할 수 있으므로 건물 외벽에 심미감을 부여할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, CIGS 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 하부 전극 층; 상기 하부 전극 층 상에 배치된 광 흡수 층; 상기 광 흡 수 층 상에 배치된 상부 전극 층; 및 상기 상부 전극 층과 상기 광 흡수 층 사이에 배치된 버퍼 층을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 CIGS 태양전지는 상용화될 수 있는 태양전지면 모두 사용가능하다.
제 1 측면 내지 제 3 측면에 있어서, 서로 공통될 수 있는 내용은 그 기재가 생략되었더라도 제 1 측면 내지 제 3 측면 모두에 적용될 수 있다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 실시예: 용액공정을 이용한 DBR 필름의 제조
1-1. TiO2-ACAC 나노입자 및 PMMA 용액의 제조
n-부탄올에서 티타늄 n-부톡사이드(Ti(OBun)4)와 아세틸아세톤(AcAc)을 혼합하여 고 굴절률을 갖는 TiO2-AcAc를 합성하였다. 이후 파라-톨루엔 술폰산 (PTSH)의 산성 수용액을 첨가하여 발열 반응 완료될 때까지 계속하여 혼합물을 실온에서 15분 동안 교반하였다. 실온에서 1 시간 동안 혼합한 후, 용액을 60℃에서 밤새 가열하였다. 생성된 용액을 톨루엔에 침전시키고 4000 rpm에서 원심분리하여 TiO2-AcAc 나노입자를 수득하였다. 이후 TiO2-AcAc 나노입자를 진공 챔버에서 5 시간 이상 동안 완전히 건조시키고 주위 공기 하에 저장하였다. TiO2-AcAc 나노입자를 20-㎎/㎖의 농도로 n-부탄올에 용해시키고 추가 사용을 위해 0.1μm 폴리테트라플 루오로에틸렌(PTFE)을 사용하여 여과하였다.
저 굴절률 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, Micro Chem사, 950,000 MW, 아니 솔에서 4 wt%)를 추가 사용을 위해 1 : 0.6 sol/sol 비율로 아니솔로 희석하였다.
1-2. DBR 필름의 제조
TiO2-AcAc나노입자를 포함하는 제 1 층을 주위 공기에서 스핀코팅법을 통해 침착시킨 후 70℃의 핫플레이트 상에서 2분 동안 건조시키고, 실온에서 1 분 동안 냉각시켜 35 nm 두께의 제 1 층을 수득하였다. 이후 PMMA를 주위 공기에서 스핀코팅법으로 층 두께가 다른 제 2 층을 추가로 적층하였다. 상기 각 층은 목적하는 색상을 위해 각 층 두께를 조절(청색은 115 nm, 녹색은 145 nm, 적색은 175 nm)하여 동일한 건조 공정을 거침으로써 하나의 쌍(pair)을 얻었다. 이 단계는 최 대 37 층까지 반복시켰다.
상기 DBR 필름은 1 inch X 1 inch의 크기로 제작(실시예 1) 및 5 cm X 5 cm의 크기로 제작(실시예 2) 하였다.
2. 실험예 1: DBR 필름의 물성 및 외관 확인
상기 제조된 실시예 1의 DBR 필름을 MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 통해 적층 개수에 따른 반사율을 확인하였으며, CIE를 통해 DBR이 나타내는 색깔을 예측하여 DBR 필름 적층을 위한 공정 조건 확립 시행하였다 (도 3a 내지 도 3c 및 도 4a 내지 도 4c). 도 3a를 살펴보면, TiO2-AcAc나노입자를 포함하는 제 1 층의 두 께를 35 nm 및 PMMA를 포함하는 제 2층의 두께를 110 nm로 설정하고, 이들의 쌍을 9(n=9, 18 및 27)로 설정하였을 때 청색 파장의 스펙트럼에서 반사율이 높게 나타나고 CIE에서도 청색 계열이 나타남을 확인하였다. 또한, 도면 3b를 살펴보면, TiO2-AcAc나노입자를 포함하는 제 1 층의 두께를 35 nm 및 PMMA를 포함하는 제 2층의 두께를 140 nm로 설정하고, 이들의 쌍을 9(n=9, 18 및 27)로 설정하였을 때 녹색 파장의 스펙트럼에서 반사율이 높게 나타나고 CIE에서도 녹색 계열이 나타남을 확인하였다. 아울러, 도면 3c를 살펴보면, TiO2-AcAc나노입자를 포함하는 제 1 층의 두께를 35 nm 및 PMMA를 포함하는 제 2층의 두께를 170 nm로 설정하고, 이들의 쌍을 9(n=9, 18 및 27)로 설정하였을 때 적색 파장의 스펙트럼에서 반사율이 높게 나타나고 CIE에서도 적색 계열이 나타남을 확인하였다.
상기 실시예는, 높은 온도(180℃)에서 필름을 건조시키면 필름에 균열이 생기는 문제점이 발생하여 낮은 온도(70℃)에서 건조시켰으며, 글러브박스 안 에서 코팅을 하면 색깔이 나타나지 않았다. 또한, 습도가 높으면 필름에 헤이즈가 생기는 문제가 발생하였으며, 스핀코터 척을 폴리프로피닐로 교체하여 필름의 균일 도와 색 순도 향상에 도움이 됨을 확인하였다. TiO2-ACAC를 포함하는 제 1 층의 두께가 두꺼우면 균열이 생기고 얇으면 헤이즈가 생기는 문제가 발생하여 적정의 범위를 설정하는 것이 매우 중요함을 확인하였다.
DBR 필름의 단면도를 관찰하기 위해 TEM과 SEM을 측정하였다. 이온 빔을 사용하는 TEM과 SEM은 DBR의 단면도를 손상시켜 측정이 불가능하므로 작은 조각의 DBR을 에폭시로 레진하여 저온에서 마이크로톰 기술을 이용하여 측정하였다. 측정 결과, 실시예 1의 DBR 필름의 단면이 고르게 잘 생성되었음을 확인하였다 (도 5).
5 cm X 5 cm 크기의 실시예 2를 관찰한 결과, 대면적에서 코팅하여 도 반사율과 색상은 1 inch X 1 inch 크기의 실시예 1과 동일함을 확인하였다 (도 6a 내지 도 6c). 실시예 2의 기판의 중심(X 1, X4), 중심에서 1.5 cm 반경의 위치(X2, X5), 중심에서 3 cm 반경의 위치(X 3, X6)에서 측정한 반사율 모두 거의 차이가 없음을 확인하였다 (도 6d 및 도 6e).
3. 실시예: 용액공정을 이용하여 제조한 DBR 필름이 적용된 CIGS 태양전지
실시예 1 및 2에서 확립한 연속 용액공정 조건 그대로 KIST로부터 받은 CIGS 태양전지 위에 DBR 필름을 적층하였다. CIGS 태양전지를 손상시키지 않고, 성능을 저하시키지 않도록 모든 제작공정을 저온에서 진행하였다 (실시예 3).
4. 실험예 2: DBR 필름이 적용된 CIGS 태양전지의 물성 및 외관 확인
청색 계열의 DBR 필름을 각각 유리 기판과 CIGS 위에 연속 용액공정을 거쳐 코팅한 결과, 두 샘플 모두 일정 층 이상 코팅(제 1 층 35 nm, 제 2 층 110 nm) 시 청색를 띄고 층을 추가할수록 색이 더욱 선명해졌다 (도 7, 도 8a 및 도 8b). 그러나 모두 기판의 중심 부분에 원형의 그라데이션 색상을 나타내었는데, 이는 스핀코터의 척에서 금속 부분과 고무 부분의 온도 차에 의한 것으로 판단하였다 (도 9a 내지 도 9d 및 하기 표 1).
Figure PCTKR2021004044-appb-T000001
또한, 상기 온도 차에 의한 그라데이션 색상의 형성을 방지하기 위해 폴리프로필렌 재질의 척을 사용하였다. 도 10a 및 도 10b를 살펴볼 때, 메탈 척을 사용한 도 10a에서는 그라데이션이 나타났으나, 폴리프로필렌을 사용한 도 10b에서는 그라데이션이 나타나지 않았다.
5. 실험예 3 : DBR 필름이 적용된 CIGS 태양전지의 성능 확인
R, G, B 색상의 DBR 필름을 CIGS 태양전지에 적용 후, 기준대비 컬러 CIGS의 반사율이 90% 이상 유지되었으며, 반사파장 폭(FWHM)은 청색, 녹색 < 70 nm, 적색 < 100 nm로 측정되었다 (도 11a 내지 도 11c, 도 12a 내지 도 12b, 및 도 13a 내지 도 13c).
Figure PCTKR2021004044-appb-T000002
상기 표 2 및 도 14a 내지 도 14c를 참조하면, 실시예의 DBR 필름이 적용된 실시예의 CIGS 태양전지는 필름 코팅 전과 후의 효율을 비교한 결과, 효율 감소는 10% 이내로 유지됨을 확인하여, 실시예의 DBR 필름은 CIGS 태양전지의 효율을 낮추지 않으면서 색상을 발현할 수 있음을 확인하였다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야 의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않 고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소 들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의 하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 제 1 층 전구체 물질을 포함하는 제 1 용액의 용액공정을 통해 제 1 층을 형성하고; 및
    제 2 층 전구체 물질을 포함하는 제 2 용액의 용액공정을 통해 제 2 층을 형성하여, 단위 적층체를 제조하는 것
    을 포함하는, DBR 필름의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은, 각각 상기 제 1 용액 및 상기 제 2 용액의 스핀코팅을 수행하고, 건조하는 단계를 통해 형성되는 것인, DBR 필름의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 건조는 30℃ 내지 90℃에서 수행되는 것인, DBR 필름의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 적층체의 형성은 3번 반복되어 7층 형성 내지 25번 반복되어 51층을 형성하는 것인, DBR 필름의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 전구체 물질은, 금속 산화물 나노입자의 표면에 아세틸아세톤 리간드 또는 카테콜 리간드가 배위결합된 금속 산화물-리간드 복합 나노입자인 것 인, DBR 필름의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 산화물-리간드 복합 나노입자는 10 nm 이하의 크기를 가지는 것인, DBR 필름의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 TiO2, WO3, VO3, 및 ZrO2 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, DBR 필름의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제 2 층 전구체 물질은, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드 (polyimide), PDMS, 폴리아크릴레이트(poly acrylate), 폴리우레탄 아크릴레이트 (PUA) 및 이산화규소(SiO2) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, DBR 필름 의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 굴절률은 1.6 내지 2.0이고, 상기 제 2 층의 굴절률은 1.0 내지 1.5인 것인, DBR 필름의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 따른 DBR 필름의 제조 방법을 통해 제조되는 색상형 DBR 필름으로 서,
    상기 제 1 층, 제 2 층 또는 둘 모두의 두께를 조절하여 청색, 녹색, 적색을 발현하는 것인, 색상형 DBR 필름.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 두께는 20 nm 내지 50 nm이고,
    상기 제 2 층의 두께는 100 nm 내지 180 nm인 것인, 색상형 DBR 필름.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 색상형 DBR 필름은, 청색 및 녹색 파장의 반사파장 폭(FWHM)이 70 nm 이하이고, 적색 파장의 반사파장 폭이 100 nm 이하이고, 반사 파장에서의 반사율이 90% 이상을 나타내는 것인, 색상형 DBR 필름.
  13. 제 10 항에 따른 색상형 DBR 필름이 적용된, CIGS 태양전지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 CIGS 태양전지는 건물일체형 태양전지(BIPV)인 것인, CIGS 태양전지.
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