KR101013155B1 - 전도성 고분자 투명전극을 이용한 유기 태양전지 및 그제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전도성 고분자 투명전극을 이용한 유기 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상에 애노드 전극을 형성하고, 애노드 전극 상에 광전 변환층을 형성하며, 광전 변환층 상에 캐소드 전극을 형성한다. 애노드 전극 형성 단계는 정전기 스프레이 프린팅법을 이용하여 전도성 고분자 입자를 적층하는 것이며, 애노드 전극 형성 전에 기판에 미세패턴을 형성할 수 있다. 미세패턴 형성은 핫 엠보싱으로, 광전 변환층 형성은 그라비어인쇄나 스핀 코팅으로, 캐소드 전극 형성은 스크린 프린트나 증발증착으로 수행할 수 있으며, 일련의 유기 태양전지 제조 방법은 롤-투-롤 공정으로 진행할 수 있다.

유기 태양전지, 애노드 전극, 캐소드 전극, 광전 변환층, 투명 전극, 전도성 고분자 물질, 정전기 스프레이 프린팅법, 롤-투-롤

Description

전도성 고분자 투명전극을 이용한 유기 태양전지 및 그 제조 방법{Organic Solar Cell Using Conductive Polymer Transparent Electrode and Fabricating Method thereof}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 정전기 스프레이 프린팅법으로 전도성 고분자 입자를 적층하여 애노드 전극을 형성하는 것이 주요 특징인 유기 태양전지의 제조 기술에 관한 것이다.

근래 들어 심각한 환경오염과 화석에너지 고갈로 인해 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서 태양전지는 공해가 적고 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래의 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.

현재 태양전지 산업의 90%는 실리콘 태양전지가 차지하고 있다. 그러나 실리콘 태양전지는 변환효율이 20% 정도에 불과하기 때문에 다른 에너지에 비해 발전단가가 상대적으로 높은 편이다. 더욱이 2000년 이후 실리콘 원재료 및 실리콘 기판 수급 문제가 발생하여 태양전지 제조단가가 상승하게 됨으로써, 태양전지는 효율 향상이라는 과제 외에도 원자재 수급 및 제조단가 문제를 해결해야 하는 상황에 직 면하고 있다.

실리콘 태양전지의 문제점을 개선하기 위한 방안으로 최근 유기 태양전지에 대한 관심이 증폭되면서 이에 대한 연구개발도 가속화되고 있다. 유기 태양전지는 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극 사이에 폴리머(polymer)와 같은 유기물질로 광전 변환층을 형성한 것으로서, 기존의 유기 태양전지는 애노드 전극으로 투명하고 전기 전도성이 있는 인듐주석산화물(ITO; indium tin oxide)을 주로 사용하고 있다.

그런데 인듐주석산화물과 같은 금속 산화물 소재의 애노드 전극은 기본적으로 전극 박막 제조를 위해 진공 공정을 필요로 하므로 제조비용이 높을 뿐만 아니라, 쉽게 부서지거나 깨지는 특성 때문에 유연성을 요구하는 플렉서블(flexible) 태양전지에 부적합하다.

금속 산화물을 이용한 투명전극의 문제점을 해소하기 위하여 최근에는 투명한 전도성 고분자 물질을 이용한 투명전극 제조 기술이 연구되고 있는데, 해당 기술 분야에서는 아직까지 물질 개발의 측면에 치우쳐 있으며 공정 개발에 대한 연구가 부족한 실정이다.

또한, 종래의 전도성 고분자 투명전극은 전기 전도성이 다소 부족하다는 단점이 있다. 기존의 금속 산화물 투명전극에 필적하려면 면저항이 수십Ω/□ 수준이 되어야 하나, 종래의 전도성 고분자 투명전극의 면저항은 수백Ω/□ 내지 수㏀/□에 이르고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 실리콘 태양전지의 문제점을 개선한 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하되, 투명전극인 애노드 전극의 소재로서 기존의 금속 산화물 대신 전도성 고분자 물질을 이용한 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 플라스틱 기판에도 쉽게 형성할 수 있고 전기적 특성도 우수한 전도성 고분자 투명전극을 이용한 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 롤-투-롤 공정에 적합한 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조 방법은, 기판 상에 애노드 전극을 형성하는 단계와, 상기 애노드 전극 상에 광전 변환층을 형성하는 단계와, 상기 광전 변환층 상에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 애노드 전극 형성 단계는 정전기 스프레이 프린팅법을 이용하여 상기 기판 상에 전도성 고분자 입자를 적층하는 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 유기 태양전지 제조 방법에서, 상기 전도성 고분자 입자는 폴리에틸렌디옥시씨오펜 폴리스티렌설퍼네이트인 것이 바람직하며, 폴리에틸렌디옥시씨오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리씨오펜, 폴리아닐린 중의 하나일 수도 있다. 또 한, 상기 전도성 고분자 잉크는 정전기 스프레이 프린팅 설비의 캐필러리 안에 담겨 분사되는 것이 바람직하며, 상기 첨가제는 폴리알콜이 바람직하다. 상기 기판은 플라스틱 기판일 수 있다.

본 발명의 유기 태양전지 제조 방법은, 상기 애노드 전극 형성 단계 전에, 상기 기판의 표면에 굴곡이 있는 미세패턴을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 미세패턴 형성 단계는 핫 엠보싱에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 유기 태양전지 제조 방법에서, 상기 광전 변환층 형성 단계는 그라비어인쇄 또는 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있고, 상기 캐소드 전극 형성 단계는 스크린 프린트 또는 증발증착에 의해 수행될 수 있다.

또한, 상기 미세패턴 형성 단계, 상기 애노드 전극 형성 단계, 상기 광전 변환층 형성 단계, 상기 캐소드 전극 형성 단계는 상기 기판이 이송되는 상태에서 롤-투-롤 공정으로 연속하여 진행될 수 있다.

본 발명은 이러한 제조 방법에 의해 제조되는 유기 태양전지를 제공한다.

이와 같이, 본 발명은 실리콘 태양전지의 문제점을 개선한 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공할 뿐만 아니라, 투명전극인 애노드 전극의 소재로서 기존의 금속 산화물 대신 전도성 고분자 물질을 이용한 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공한다.

특히, 본 발명은 전도성 고분자 물질을 이용하여 플라스틱 기판에도 쉽게 애 노드 투명전극을 형성할 수 있고, 이러한 전도성 고분자 애노드 투명전극은 기존의 금속 산화물 애노드 투명전극에 필적할 만큼의 우수한 전기적 특성을 나타낸다.

또한, 본 발명은 롤-투-롤 공정에 적합한 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공함으로써 생산성을 높이고 제조비용을 절감할 수 있는 효과도 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예들을 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 가급적 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

한편, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 첨부 도면을 통틀어 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여한다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 나타내는 단면도이다.

도 1a를 참조하면, 먼저 태양전지의 기판(10)을 준비하고 그 표면을 가공한다. 기판(10)은 예컨대 플라스틱 기판으로서, 그 소재로는 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리메틸 메스아크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에테르설폰(polyethersulfone; PES), 폴리이미드(polyimide; PI) 등이 사용 가능하다. 그러나 기판(10)의 소재가 반드시 플라스틱에 한정되는 것은 아니며, 그 밖에 다양한 소재의 기판이 사용될 수도 있다.

기판(10)의 표면은 핫 엠보싱(hot embossing)에 의해 가공되어 굴곡이 있는 미세패턴(11)을 형성한다. 핫 엠보싱에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다. 미세패턴(11)은 이어서 형성될 애노드 전극(도 1b의 20)과 광전 변환층(도 1c의 30) 사이의 접촉면적을 증가시켜 단위 면적당 유효 면적을 증가시킨다. 즉, 미세패턴(11)은 태양전지의 크기를 증가시키지 않으면서도 빛을 흡수하는 유효면적을 증가시킴으로써 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나 경우에 따라 미세패턴(11)은 형성되지 않을 수도 있으며, 그 경우에도 본 발명의 기술적 사상은 퇴색되지 않는다. 미세패턴(11)의 형태는 다양한 변형이 가능하다.

이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 애노드 전극(20)을 형성한다. 애노드 전극(20)은 투명하고 전기 전도성이 있는 투명전극으로서, 그 소재는 전도성 고분자 물질이다. 애노드 전극(20)을 형성하는 공정은 정전기 스프레이 프린팅법(Electrostatic Spray Printing)을 이용하여 수행되며, 이에 대해서는 도 2를 참조하여 자세히 후술한다. 애노드 전극(20)은 저온 열경화 방법으로 경화시킨다.

이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 애노드 전극(20) 상에 광전 변환층(30, photoactive layer)을 형성한다. 광전 변환층(30)은 정공 수용체와 전자 수용체가 혼합된 잉크재료를 그라비어인쇄(gravure printing) 또는 스핀 코팅(spin coating)을 이용하여 형성한다. 이 중에서 그라비어인쇄에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.

정공 수용체로는 P3HT(poly 3-hexylthiophene)와 같은 폴리씨오펜 유도체나 PPV(poly-para-phenylene vinylene) 등의 도전성을 갖는 공액 고분자를 사용할 수 있으며, 전자 수용체로는 PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)과 같은 플러렌(fullerene) 유도체를 사용할 수 있다. 이들 정공 수용체와 전자 수용체는 빛에 의해 생성된 정공과 전자가 각각 애노드 전극(20)과 캐소드 전극(도 1d의 40)으로 손실 없이 수집될 수 있도록 상호 충분히 혼합되어 있는 잉크재료로 마련되어야 한다. 애노드 전극(20)과 마찬가지로 광전 변환층(30)은 저온 열경화 방법으로 경화시킨다.

이어서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 광전 변환층(30) 상에 캐소드 전극(40)을 형성한다. 캐소드 전극(40)은 알루미늄(Al), 은(Ag) 등의 도전성 물질을 스크린 프린트(screen print) 또는 증발증착(evaporation)을 이용하여 형성한다. 이 중에서 스크린 프린트에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다. 캐소드 전극(40)의 소재로는 알루미늄과 은 외에도 금(Au), 아연(Zn), 구리(Cu), 탄소(C), 탄소나노튜브(carbon nano tube), 전도성 폴리머 등과 이들의 조합물이 가능하다. 캐소드 전극(40)도 저온 열경화 방법으로 경화시킨다.

이어서, 도 1b에서 설명을 생략하였던 애노드 전극(20)의 형성 방법에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 전도성 고분자 투명전극의 제조 방법에 이용 되는 정전기 스프레이 프린팅법의 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 정전기 스프레이 프린팅법은 대전된 전도성 고분자 입자(120a)들을 기판(121)과 캐필러리(122, capillary) 사이의 전기장에 의해 유도하여 기판(121) 상에 형성하는 기술이다.

구체적으로 설명하면, 전도성 고분자 잉크는(120) 캐필러리(122) 안에 담기며, 이때 전도성 고분자 잉크(120)에는 전기 전도성을 향상시키기 위해 첨가제가 추가된다. 이들에 대해서는 뒤에서 다시 자세히 설명한다. 전도성 고분자 투명전극을 형성할 대상인 기판(121)은 캐필러리(122)와 소정의 거리만큼 떨어져 배치된다. 기판(121)을 접지한 상태로(실제로는 기판을 지지하는 기판 홀더가 접지됨) 캐필러리(122) 안의 전도성 고분자 잉크(120)에 고전압을 인가하면 전기장 집중 효과에 의해 캐필러리(122) 끝에 극도로 큰 전기장이 발생한다.

캐필러리(122) 끝부분에 집중 형성된 전기장은 전도성 고분자 물질을 양이온과 음이온으로 분리하여 이온화된 입자, 즉 대전된 입자(120a)들을 만든다. 대전 입자(120a)들은 용액의 표면에 집중되고 표면이 불안정해지면서 캐필러리(122)로부터 제트 분사된다. 분사된 미세 방울은 전기장에 의해 기판(121) 쪽으로 유도되고 아주 작은 입자 형태로 기판(121) 상에 적층된다.

이러한 정전기 스프레이 프린팅법을 이용하면, 기존의 금속 산화물 대신 전도성 고분자 물질을 이용하여 도 1b에 도시된 유기 태양전지의 애노드 전극(20)을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 유기 태양전지의 기판(10)이 플라스틱 기판인 경우에도 쉽게 애노드 전극(20)을 형성할 수 있다. 또한, 이렇게 형성된 전도성 고 분자 전극(20)은 그 전기적 특성이 금속 산화물 전극에 비해 뒤떨어지지 않을 뿐만 아니라 막의 균일도와 조밀도도 매우 우수하다.

한편, 유기 태양전지의 애노드 전극(20)으로 사용되는 전도성 고분자 물질은 폴리에틸렌디옥시씨오펜(polyethylenedioxythiophene; PEDOT), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리씨오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline) 등이 가능하며, 바람직하게는 폴리에틸렌디옥시씨오펜 폴리스티렌설퍼네이트(polyethylenedioxythiophene polystyrenesulfonate; PEDOT:PSS)가 사용된다. 그러나 본 발명이 반드시 이러한 물질에만 국한되는 것은 아니며, 투명하고 전기 전도성이 있는 고분자 물질이라면 모두 적용 가능하다. 첨가제로는 예를 들어 글리세롤(glycerol)이나 소비톨(sorbitol)과 같은 폴리알콜(polyalcohol)이 쓰인다.

본 발명의 유기 태양전지 제조 방법은 롤-투-롤(roll-to-roll; R2R) 공정을 이용하여 연속적으로 진행할 수 있다. 이하, 도 3을 참조하여 이에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유기 태양전지의 롤-투-롤 제조 방법을 나타내는 개략도이다.

먼저, 롤-투-롤 공정을 이용하여 유기 태양전지를 제조하려면, 기판(10)은 플렉서블 특성을 가지는 플라스틱 기판이어야 한다. 기판(10)은 배출 롤러(101)에 감긴 상태로 공급되고 일련의 제조 공정이 완료된 후 수납 롤러(103)에 감긴다. 배출 롤러(101)와 수납 롤러(103) 사이에는 여러 개의 이송 롤러(102)들이 설치될 수 있다.

배출 롤러(101)로부터 공급되는 기판(10)에는 핫 엠보싱 설비(110)를 통해 미세패턴(11)의 형성 공정이 진행된다. 핫 엠보싱 장비(110)는 상부 롤러(111)와 하부 롤러(112)로 구성되며, 상부 롤러(111)의 표면에는 미세패턴(11)에 대응하는 압착돌기(113)가 형성된다. 상부 롤러(111)와 하부 롤러(112)는 서로 맞물려 연속적으로 회전하면서 기판(10)을 압착하고, 기판(10)의 표면에는 압착돌기(113)에 의해 미세패턴(11)이 형성된다.

이어서, 미세패턴(11)이 형성된 기판(10)에는 정전기 스프레이 프린팅 설비(120)를 통해 애노드 전극(20)이 형성된다. 정전기 스프레이 프린팅 설비(120)는 도 2를 참조하여 전술한 캐필러리(122)를 포함하며, 그 밖에 캐필러리(122)의 상단으로 삽입되고 전원과 연결되어 전도성 고분자 수분산액에 고전압을 인가하는 전극(도시되지 않음)을 더 포함한다.

이어서, 애노드 전극(20)이 형성된 기판(10)에는 그라비어인쇄 설비(130)를 통해 광전 변환층(30)이 형성된다. 그라비어인쇄 설비(130)는 그라비어 실린더(131), 가압 롤러(132), 잉크통(133), 그라비어 잉크(134), 닥터 블레이드(135, doctor blade)로 구성된다. 그라비어 실린더(131)는 그라비어 잉크(134)가 담겨있는 잉크통(133)에 일부가 잠긴 채 회전한다. 그라비어 실린더(131)가 회전할 때 잉크통(133)의 그라비어 잉크(134)가 묻은 채 기판(10) 쪽으로 제공되며, 이때 닥터 블레이드(135)는 정해진 양만큼 그라비어 잉크(134)가 공급될 수 있도록 그 양을 조절시킨다. 그라비어 실린더(131)에 의해 공급되는 그라비어 잉크(134)는 기판(10)의 애노드 전극(20) 상에 광전 변환층(30)을 형성한다.

이어서, 광전 변환층(30)이 형성된 기판(10)에는 스크린 프린트 설비(140)를 통해 캐소드 전극(40)이 형성된다. 스크린 프린트 설비(140)는 스크린(141), 페이스트(142, paste), 스퀴즈(143, squeeze)로 구성된다. 스크린(141) 위에 페이스트(142)가 공급된 상태에서 스퀴즈(143)로 스크린(141)을 통해 페이스트(142)를 밀어 넣으면 기판(10)의 광전 변환층(30) 상에 캐소드 전극(40)이 형성된다.

지금까지 실시예를 통하여 본 발명에 따른 전도성 고분자 투명전극을 이용한 유기 태양전지 및 그 제조 방법에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 나타내는 단면도.

도 2는 전도성 고분자 투명전극의 제조 방법에 이용되는 정전기 스프레이 프린팅법의 개념도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유기 태양전지의 롤-투-롤 제조 방법을 나타내는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판 11: 미세패턴

20: 애노드 전극 30: 광전 변환층

40: 캐소드 전극 110: 핫 엠보싱 설비

120: 정전기 스프레이 프린팅 설비 130: 그라비어인쇄 설비

140: 스크린 프린트 설비

Claims (12)

1. 기판의 표면에 굴곡이 있는 미세패턴을 형성하는 단계;

   상기 기판 상에 애노드 전극을 형성하는 단계;

   상기 애노드 전극 상에 광전 변환층을 형성하는 단계;

   상기 광전 변환층 상에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

   를 포함하며, 상기 애노드 전극 형성 단계는 정전기 스프레이 프린팅법을 이용하여 상기 기판 상에 전도성 고분자 입자를 적층하되,

   상기 전도성 고분자 입자는 첨가제가 혼합된 전도성 고분자 잉크 형태로 정전기 스프레이 프린팅 설비의 캐필러리 안에 담겨 분사되며,

   상기 미세패턴 형성 단계, 상기 애노드 전극 형성 단계, 상기 광전 변환층 형성 단계, 상기 캐소드 전극 형성 단계는 상기 기판이 이송되는 상태에서 롤-투-롤 공정으로 연속하여 진행되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전도성 고분자 입자는 폴리에틸렌디옥시씨오펜 폴리스티렌설퍼네이트인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전도성 고분자 입자는 폴리에틸렌디옥시씨오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리씨오펜, 폴리아닐린 중의 하나인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 첨가제는 폴리알콜인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 기판은 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조 방법.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상기 미세패턴 형성 단계는 핫 엠보싱에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조 방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 광전 변환층 형성 단계는 그라비어인쇄 또는 스핀 코팅에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조 방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 캐소드 전극 형성 단계는 스크린 프린트 또는 증발증착에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조 방법.
11. 삭제
12. 제1항의 제조 방법에 의해 제조되는 유기 태양전지.

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