KR20150030285A - Organic solar photovoltaics and method for the same - Google Patents

Abstract

The present invention relates to a structure organic solar battery and to a method for producing the same for a substrate to play a role as a cathode and the substrate at the same time. The structure organic solar battery includes: a substrate; a semiconductor layer which is formed on one side of the substrate; a positive hole extraction layer which is formed on one side of the semiconductor layer; a light absorption layer which is formed on one side of the positive hole extraction layer; and an electron extraction layer which is formed on one side of the light absorption layer.

Description

정구조 유기태양전지 및 그 제조방법{ORGANIC SOLAR PHOTOVOLTAICS AND METHOD FOR THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an organic solar cell,

본 발명은 정구조 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a positive structure organic solar cell and a manufacturing method thereof.

전 세계적으로 신·재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있는 현 시점에서, 미래 에너지로써의 가능성과 다양한 장점을 지닌 유기 태양 전지(organic photovoltaic cells: OPV)가 주목 받고 있다. 상기 유기 태양 전지는, 실리콘을 이용한 무기 태양 전지에 비하여, 박막화 및 저비용 제조가 가능하여, 향후 각종 플렉서블 소자에 다양하게 적용될 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
At present, interest in new and renewable energies is increasing worldwide, and organic photovoltaic cells (OPV) with the potential as future energy and various advantages are getting attention. The organic solar cell can be thinned and manufactured at a low cost as compared with an inorganic solar cell using silicon, and can be applied to various flexible devices in the future.

통상적인 유기 태양 전지는, 양극, 정공 추출층, 광활성층 및 음극을 포함할 수 있다. 상기 유기 태양 전지에 조사된 광은 상기 광활성층에서 전자 및 정공으로 분리되어, 정공은 정공 추출층을 경유하여 양극을 통하여 추출되고, 전자는 음극을 통하여 추출될 수 있다.
Conventional organic solar cells may include an anode, a hole extracting layer, a photoactive layer, and a cathode. The light irradiated to the organic solar cell is separated into electrons and holes in the photoactive layer, holes are extracted through the anode through the hole extraction layer, and electrons can be extracted through the cathode.

정구조 소자는 OPV 소자 구조에서 인듐 주석 산화물 (ITO)과 같은 투명전극으로부터 정공이 추출되어 양극(Anode) 역할을 하며 음극(Cathode)은 Al 등의 금속을 주로 사용한다.
In the OPV device structure, holes are extracted from a transparent electrode such as indium tin oxide (ITO) to serve as an anode, and a cathode is mainly used as a metal such as Al.

종래 유기태양전지의 음극은 낮은 일함수(work function)를 갖고 공기 중에 취약하다는 문제가 있어, 봉지공정과정(encapsulation)이 요구되는 문제도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 유기태양전지의 대량생산에 적합한 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정이 필요하다.
Conventionally, a negative electrode of an organic solar battery has a problem that it has a low work function and is weak in the air and encapsulation is required. To solve this problem, a roll-to-roll process suitable for mass production of organic solar cells is required.

그러나, 종래의 유리 기판위에 올려져 있는 전극인 ITO 및 FTO와 같은 산화물 전극은 구부리거나 휘게 되면 박막에 균열이 발생하여 더 이상 전극으로서의 역할을 하지 못하게 된다. 또한 기판도 200℃ 이상의 고온 공정에서 금속 산화물을 증착 하는 공정에서 견뎌야 하기 때문에 기존에 유리 기판으로 사용하였으나 유연하지 못하는 문제점이 있다. 따라서 기계적 강도가 우수하여 구부릴 수 있으며 200℃ 이상에서 고온 공정에도 잘 견딜 수 있는 기판과 전극을 필요로 하게 된다.
However, oxide electrodes such as ITO and FTO, which are electrodes mounted on a conventional glass substrate, are bent or warped, cracks are generated in the thin film, and the electrodes can no longer function as electrodes. In addition, since the substrate must withstand the process of depositing the metal oxide in a high-temperature process of 200 ° C or more, it is used as a glass substrate, but it is not flexible. Therefore, it requires a substrate and an electrode that can bend due to excellent mechanical strength and can withstand high temperature process at 200 ° C or more.

종래의 스텐레스 스틸과 같은 콜드-롤(cold-roll) 타입의 금속 기판은 표면에 수직 줄무늬 패턴을 가지고 있고 0.3~2um의 피크-투-피크(peak-to-peak) 거칠기(roughness)를 가지고 있기 때문에, 이러한 거칠기를 가지는 기판을 유기 태양 전지와 같은 활성층 두께를 300 nm 이하로 사용하는 전자 소자에 적용할 경우 누설전류(leakage current)를 야기시키거나 단락(electrical short)를 초래하기 때문에 소자의 제대로 된 특성을 얻기가 힘들다. 이와 같이, 거칠기가 큰 스테인리스 스틸을 유기태양전지의 기판으로 사용하기 위해서는 금속 호일을 평탄화할 필요가 있으며, 선행 기술에서는 절연성 평탄화층을 형성한 후에 전극을 다시 증착하는 방식으로 소자를 구현하거나, 금속호일 상부에 다시 평탄화와 반사전도막 역학을 하는 증착하는 등의 복잡한 구조를 갖는 소자가 제시되어 있다.
Conventional cold-roll type metal substrates, such as stainless steel, have a vertical stripe pattern on the surface and have a peak-to-peak roughness of 0.3-2 um Therefore, when a substrate having such a roughness is applied to an electronic device having an active layer thickness of 300 nm or less, such as an organic solar cell, it causes leakage current or electrical short, It is difficult to obtain the characteristics. In order to use stainless steel having a large roughness as a substrate of an organic solar cell, it is necessary to planarize the metal foil. In the prior art, the device is formed by re-depositing the electrode after forming the insulating planarizing layer, There is proposed a device having a complicated structure such as flattening the top of the foil and depositing a film having anti-pre-coating dynamics.

또한, 구리 또는 스테인리스 스틸을 이용한 금속 호일은 100㎚ 이상의 표면 거칠기 값을 가지고 있어, 금속 호일의 표면에 연마가 요구된다. 상기 연마는 기계적 연마(mechanical polishing), 화학기계적 연마(Chemical mechanical polishing), 전해연마(electro-polishing) 공정을 1회 또는 2회 이상을 수행하여, 금소 호일의 표면 거칠기를 10~100㎚범위로 제어하여 사용하였다.
Further, the metal foil using copper or stainless steel has a surface roughness value of 100 nm or more, so that the surface of the metal foil is required to be polished. The polishing may be performed one or more times by mechanical polishing, chemical mechanical polishing, and electro-polishing to adjust the surface roughness of the gold foil to 10 to 100 nm Respectively.

그러나, 이와 같은 연마는 고비용의 공정이며, 상기 수준의 표면 거칠기를 갖는 상에 바로 유기 태양전지의 유기층(예를 들면, 전자 추출층, 광흡수층 또는 정공 추출층 등)을 형성하는 경우, 유기 태양전지의 전기적 단락(electrical short)이 발생하여, 유기 태양 전지의 전기적 특성이 급격히 저하되는 문제가 있다.
However, such polishing is a costly process. In the case of forming an organic layer (for example, an electron extracting layer, a light absorbing layer or a hole extracting layer) of an organic solar cell directly on a surface having such a level of surface roughness, There is a problem that the electrical short of the battery occurs and the electrical characteristics of the organic solar battery are rapidly deteriorated.

본 발명의 일측면은 기판이 음극과 기판의 역할을 동시에 행하는 정구조 유기 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. One aspect of the present invention relates to a positive structure organic solar cell in which a substrate acts as a negative electrode and a substrate at the same time, and a manufacturing method thereof.

본 발명의 일측면인 정구조 유기 태양전지는 기판, 기판의 일면에 형성된 반도체 층, 상기 반도체 층의 일면에 형성된 정공 추출층, 상기 정공 추출층의 일면에 형성된 광흡수층, 상기 광흡수층의 일면에 형성된 전자 추출층 및 상기 전자 추출층의 일면에 형성된 음극을 포함하고, 상기 기판의 표면 거칠기(Rq)는 1.5㎚ 이하이고, 표면 평탄도(Ra)는 0.9㎚이하인 것을 특징으로 한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a positive structure organic solar cell comprising a substrate, a semiconductor layer formed on one surface of the substrate, a hole extraction layer formed on one surface of the semiconductor layer, a light absorption layer formed on one surface of the hole extraction layer, And a cathode formed on one surface of the electron extraction layer, wherein the substrate has a surface roughness (Rq) of 1.5 nm or less and a surface flatness (Ra) of 0.9 nm or less.

본 발명의 다른 일측면인 정구조 유기 태양전지의 제조방법은 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 일면에 반도체 층을 형성하는 단계, 상기 반도체 층의 일면에 정공추출층을 형성하는 단계, 상기 정공추출층의 일면에 광흡수층을 형성하는 단계, 상기 광흡수층의 일면에 전자추출층을 형성하는 단계 및 상기 전자추출층의 일면에 음극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 기판은 전기 주조법에 의하여 제조되고, 상기 반도체 층은 350~450℃의 온도에서 5~30초 간 급속 가열하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
In another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a positive structure organic solar cell comprising the steps of preparing a substrate, forming a semiconductor layer on one surface of the substrate, forming a hole extraction layer on one surface of the semiconductor layer, Forming a light absorption layer on one side of the extraction layer, forming an electron extraction layer on one side of the light absorption layer, and forming a cathode on one side of the electron extraction layer, wherein the substrate is manufactured by electroforming And the semiconductor layer is formed by rapid heating at a temperature of 350 to 450 DEG C for 5 to 30 seconds.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.In addition, the solution of the above-mentioned problems does not list all the features of the present invention. The various features of the present invention and the advantages and effects thereof will be more fully understood by reference to the following specific embodiments.

본 발명의 일측면인 기판과 전극의 역할을 동시에 하는 일체형 전도성 기판을 제공할 수 있다. 또한, 우수한 기계적 강도, 표면 평탄화도 및 전기 전도도를 가진다. 또한, 안정적으로 유기태양전지에 적용 가능하며, 유연 특성뿐만 아니라, 저비용으로 대량생산이 가능하다.It is possible to provide a monolithic conductive substrate which simultaneously serves as a substrate and an electrode, which is one aspect of the present invention. In addition, it has excellent mechanical strength, surface flatness and electrical conductivity. In addition, it can be applied to organic solar cells stably, and it can be mass-produced at low cost as well as in flexibility.

도 1은 본 발명이 제안하는 정구조 유기 태양전지의 일례를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing an example of a regular structure organic solar cell proposed by the present invention.

본 발명의 발명자들은 종래의 전기 주조법에 의하여 제조된 기판을 태양전지용 기판으로 이용하는 경우 표면 거칠기가 매우 높아 단락이 발생되는 문제가 있음을 확인하고, 이를 해결하기 위하여 본 발명을 고안하였다. 즉, 본 발명의 발명자들은 전기 주조법을 이용한 기판을 절연층 및 전극이 필요 없이 전극역할을 수행할 수 있는 기판을 제조하는 방안을 고안하였다.
The inventors of the present invention have discovered that there is a problem that a short circuit occurs due to a very high surface roughness when a substrate manufactured by a conventional electroforming method is used as a substrate for a solar cell. That is, the inventors of the present invention have devised a method of manufacturing a substrate using an electroforming method, which can serve as an electrode without requiring an insulating layer and an electrode.

이하, 본 발명의 일측면인 정구조 유기 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, a positive structure organic solar cell which is one aspect of the present invention will be described in detail.

본 발명의 일측면인 정구조 유기 태양전지는 기판(100), 기판의 일면에 형성된 반도체 층(200), 상기 반도체 층의 일면에 형성된 정공 추출층(300), 상기 정공 추출층의 일면에 형성된 광흡수층(400), 상기 광흡수층의 일면에 형성된 전자 추출층(500) 및 상기 전자 추출층의 일면에 형성된 음극(600)을 포함하고, 상기 기판의 표면 거칠기(Rq)는 1.5㎚ 이하이고, 표면 평탄도(Ra)는 0.9㎚이하인 것을 특징으로 한다.
A positive structure organic solar cell according to an embodiment of the present invention includes a substrate 100, a semiconductor layer 200 formed on one surface of the substrate, a hole extraction layer 300 formed on one surface of the semiconductor layer, A light absorption layer 400, an electron extraction layer 500 formed on one side of the light absorption layer, and a cathode 600 formed on one side of the electron extraction layer, wherein the substrate has a surface roughness Rq of 1.5 nm or less, And the surface flatness (Ra) is 0.9 nm or less.

상기 기판은 가요성과 내구성을 동시에 갖는 것이면 모두 적용 가능하다. 보다 바람직하게는 금속 기판이며, 보다 더 바람직하게는 Fe-Ni 합금을 갖는 금속 기판이다. Fe는 경하면서 유연하고, 값이 싸며, 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 즉, 일정 수준 이상 강도 또는 경도를 확보하고 있음과 동시에 유연하기 때문에 물리적 충격에 의한 균열 혹은 파단이 잘 발생하지 않아, 내구성 확보 측면에서 유리하다. 또한, 전지 주조법을 통해 제조할 경우에는 제조 비용이 저렴하고, 박막화가 용이하며, 대량생산이 가능하기 때문에 생산성 측면에서도 유리한 이점이 있다. 나아가, 롤과 같은 형태로 쉽게 변화되기 때문에, 보관이 용이하고, 고객사의 요구에 맞게 기판의 크기를 제어하는 것이 쉽다.
The substrate is applicable to any substrate having both flexibility and durability. More preferably a metal substrate, and even more preferably a metal substrate having an Fe-Ni alloy. Fe is advantageous in that it is flexible, cost-effective, and mass-producible. That is, it is advantageous in terms of ensuring durability because it has a certain level of strength or hardness, and at the same time is flexible and does not cause cracking or fracture due to physical impact. In addition, when the battery is manufactured through the casting method, the production cost is low, the film thickness is easy, and mass production is possible, which is advantageous in terms of productivity. Furthermore, since it is easily changed into a roll-like shape, it is easy to store, and it is easy to control the size of the substrate to meet the needs of customers.

한편, 태양전지는 그 구성요소들간의 열팽창 계수가 거의 유사한 수준으로 제어되어야 한다. 이는, 온도의 상승 혹은 저하에 따라, 기판 혹은 이 위에 적층되는 물질들에 가해지는 응력이 차이가 나게 되므로, 상기 기판이나 다른 물질들에 균열 혹은 파단을 야기시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 상기 Fe에 Ni을 함유시키는 것이 바람직한데, 이와 같이, Fe-Ni합금으로서 기판이 제조되는 경우에는, 상기 Ni함량의 제어를 통해, 태양전지 기판에 적용될 수 있도록 열팽창 계수를 최적화시킬 수 있다. 또한, 상기 Fe-Ni합금은 내부식성 확보가 용이한 물질이며, 동시에 제조를 위해 전기주조법을 이용하는 경우, 상기 Fe-Ni합금의 형성이 용이하다는 장점이 있다. 다만, 상기와 같이 주조를 행할 경우, Fe 및 Ni이외에 기타 불가피한 불순물이 포함될 수 있다.
On the other hand, the solar cell must be controlled to have a similar thermal expansion coefficient between its components. This is because as the temperature rises or falls, the stress applied to the substrate or the materials stacked thereon becomes different, which may cause cracks or fractures in the substrate or other materials. Therefore, it is preferable that Ni is contained in the Fe. When the substrate is produced as an Fe-Ni alloy, the coefficient of thermal expansion can be optimized so as to be applicable to the solar cell substrate through control of the Ni content . In addition, the Fe-Ni alloy has an advantage that it is easy to ensure corrosion resistance, and at the same time, when the electroforming method is used for production, the formation of the Fe-Ni alloy is easy. However, when casting is performed as described above, other inevitable impurities besides Fe and Ni may be included.

또한, 상기 기판은 표면 거칠기(Rq)는 1.5㎚ 이하이고, 표면 평탄도(Ra)는 0.9㎚이하인 것이 바람직하다. 상기 기판의 표면 거칠기 1.5㎚ 및 표면 평탄도 0.9nm를 초과하는 경우에는, 반도체층과 전극층을 적층 하여 제작된 소자를 구동하였을 때 누설전류가 발생하여 유기태양전지의 광전변환효율이 하락한다.
The substrate preferably has a surface roughness (Rq) of 1.5 nm or less and a surface flatness (Ra) of 0.9 nm or less. When the substrate has a surface roughness of 1.5 nm and a surface flatness of more than 0.9 nm, leakage current is generated when a device manufactured by stacking the semiconductor layer and the electrode layer is driven, and the photoelectric conversion efficiency of the organic solar battery is lowered.

상기와 같이 제어된 기판은 양극과 기판의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
The substrate thus controlled can simultaneously perform the role of the anode and the substrate.

상기 기판의 일면에 형성된 반도체 층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 반도체 층은 상기 광흡수층에서 흡수된 전자가 상기 기판으로 이동할 때 생기는 에너지장벽(energy-barrier)를 낮춰주는 역할 또는 상기 기판을 평탄화 시키는 역할을 행하는 것을 특징으로 한다.
And a semiconductor layer formed on one surface of the substrate. The semiconductor layer has a role of lowering an energy barrier generated when electrons absorbed in the light absorption layer move to the substrate, or a function of flattening the substrate.

이와 같은 역할을 행하기 위하여 상기 반도체 층의 두께는 5~200㎚인 것이 바람직하다. 상기 반도체 층의 두께가 5㎚ 미만인 경우에는 하부층 표면을 전체 도포하지 못하여 충분한 전하 수송 역할을 수행하지 못하는 문제가 있으며, 200㎚를 초과하는 경우에는 전하 수송 능력이 떨어지고 광 투과도가 줄어들어 유기태양전지의 광전변환효율이 줄어드는 문제가 있다.
In order to perform such a role, the thickness of the semiconductor layer is preferably 5 to 200 nm. When the thickness of the semiconductor layer is less than 5 nm, the surface of the lower layer can not be entirely coated, thereby failing to perform a sufficient charge transporting role. When the thickness exceeds 200 nm, the charge transporting capability is decreased and the light transmittance is decreased. There is a problem that the photoelectric conversion efficiency is reduced.

또한, 상기 반도체 물질은 공기나 수분에 반응성이 없는 물질들로 가시광선 영역에서의 투과도(Transparency)가 우수한 물질이면서 정공추출 능력이 뛰어난 재료이면 어느 종류든지 제한되지 않는다. 다만, 비 제한적인 일례로, 산화텅스텐(WO3), 산화바나듐(V2O5, VO2, V4O7 and V5O9, V2O3) 산화몰리브데늄 (MoO3 or MoOx), 산화구리 (Copper(II) Oxide: CuO), 산화니켈(NiO) 중에서 선택된 1종 이상의 반도체 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
In addition, the semiconductor material is not reactive to air or moisture, and is not limited to any material that is excellent in transparency in the visible light region and excellent in hole extraction ability. However, as a non-limiting example, tungsten oxide (WO3), vanadium oxide (V2O5, VO2, V4O7 and V5O9, V2O3) molybdenum oxide (MoO3 or MoOx), copper oxide (CuO) And nickel (NiO).

상기 반도체 층의 일면에 정공추출층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 정공 추출층은 0.1~10㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 정공 추출층은 하부층 표면을 전체 도포하지 못하더라도 쌍극자효과 및 화학반응 등의 원인으로 정공 추출역할을 수행한다. 다만 정공추출층의 두께가 0.1㎚미만인 경우 그 효과가 미미하여 정공추출 역할이 부족하여 광전변환효율이 줄어드는 문제가 있으며, 10㎚를 초과하는 경우에는 전하 수송 능력이 떨어지고 광 투과도가 줄어들어 유기태양전지의 광전변환효율이 줄어드는 문제가 있다.
It is preferable to form a hole extraction layer on one surface of the semiconductor layer. The hole extraction layer preferably has a thickness of 0.1 to 10 nm. Although the hole extracting layer can not completely coat the surface of the lower layer, the hole extracting layer plays a role of extracting holes due to dipole effect and chemical reaction. However, when the thickness of the hole extracting layer is less than 0.1 nm, there is a problem that the effect of hole extraction is insufficient and the photoelectric conversion efficiency is decreased. When the thickness is more than 10 nm, the charge transporting ability is decreased and the light transmittance is decreased. There is a problem that the photoelectric conversion efficiency is reduced.

상기 정공추출층의 일면에 광흡수층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 광흡수층은 유기태양전지에 조사된 광을 흡수하여 전하로 변환 시켜서 궁극적으로 전력을 생산하게 하는 역할을 행한다. 상기 광흡수층은 정공과 전자를 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 광흡수층은 전자 공여체 및 정공 수용체를 포함한 단일층이거나, 상기 전자 공여체를 포함한 층 및 상기 정공 수용체를 포함한 층을 포함한 복층일 수 있다.
It is preferable to form a light absorbing layer on one surface of the hole extracting layer. The light absorbing layer absorbs light irradiated to the organic solar cell and converts the light into electric charges, thereby ultimately producing electric power. The light absorption layer can separate holes and electrons. The light absorbing layer may be a single layer including an electron donor and a hole acceptor, or may be a multilayer including a layer including the electron donor and a layer including the hole acceptor.

상기 광흡수층의 일면에 전자추출층을 형성하고, 상기 전자추출층의 일면에 음극을 형성하는 것이 바람직하다.
It is preferable that an electron extraction layer is formed on one surface of the light absorption layer and a cathode is formed on one surface of the electron extraction layer.

상기와 같은 구조를 같은 유기태양전지는 기판과 양극의 역할을 동시에 하는 일체형 기판을 이용함으로써, 유연한 특성을 가지면서 생산성이 우수한 유기태양전지를 제공할 수 있다.
An organic solar cell having such a structure can provide an organic solar cell having flexible characteristics and excellent productivity by using an integrated substrate that simultaneously functions as a substrate and an anode.

이하, 본 발명의 일측면인 정구조 유기 태양전지의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a positive structure organic solar cell, which is one aspect of the present invention, will be described in detail.

본 발명의 다른 일측면인 정구조 유기 태양전지의 제조방법은 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 일면에 반도체 층을 형성하는 단계, 상기 반도체 층의 일면에 정공추출층을 형성하는 단계, 상기 정공추출층의 일면에 광흡수층을 형성하는 단계, 상기 광흡수층의 일면에 전자추출층을 형성하는 단계 및 상기 전자추출층의 일면에 음극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 기판은 전기 주조법에 의하여 제조되고, 상기 반도체 층은 350~450℃의 온도에서 5~30초 간 급속 가열하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
In another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a positive structure organic solar cell comprising the steps of preparing a substrate, forming a semiconductor layer on one surface of the substrate, forming a hole extraction layer on one surface of the semiconductor layer, Forming a light absorption layer on one side of the extraction layer, forming an electron extraction layer on one side of the light absorption layer, and forming a cathode on one side of the electron extraction layer, wherein the substrate is manufactured by electroforming And the semiconductor layer is formed by rapid heating at a temperature of 350 to 450 DEG C for 5 to 30 seconds.

본 발명이 제안하는 기판은 전기 주조법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다. 상기 전지 주조법은 전해조, 양극 드럼, 음극, 전원을 구비하는 전기주조장치를 이용하여 기판을 제조하는 방법이다.
The substrate proposed by the present invention is preferably manufactured by an electroforming method. The battery casting method is a method of manufacturing a substrate using an electroforming apparatus having an electrolytic bath, a cathode drum, a cathode, and a power source.

전기주조장치는 전해조의 내부에 음극 및 양극 드럼이 구비되게 되고, 상기 음극과 양극 드럼은 소정의 간격을 유지하도록 위치된다. 상기 음극과 양극 드럼은 전원과 전기적으로 연결되게 되어, 전류가 흐르게 된다. 상기 전해조에 전해액이 주입되고, 상기 전해액에 침지된 음극과 양극 드럼에 전류가 인가되면 양극 드럼의 표면 일부에 금속판이 형성되게 되고, 상기 금속판을 상기 양극 드럼으로부터 분리시키게 됨으로써, Fe-Ni합금 기판으로 사용할 수 있게 된다.
In the electroforming apparatus, a cathode and a cathode drum are provided inside the electrolytic cell, and the cathode and the cathode drum are positioned to maintain a predetermined gap. The negative electrode and the positive electrode drum are electrically connected to a power source, so that a current flows. When an electric current is applied to the cathode and the anode drum immersed in the electrolytic solution, a metal plate is formed on a part of the surface of the cathode drum, and the metal plate is separated from the cathode drum, .

상기한 바와 같이, 전기주조법에 의해 금속 기판을 제조할 경우에는, 기존의 압연 공정에 비하여 단순한 공정으로도 기판을 제조할 수 있기 때문에, 생산성이 뛰어나며, 기판의 박막화를 용이하게 달성할 수 있다. 반면, 압연법을 이용하여 유선 극박 기판을 제조하는 경우 두께가 얇아질수록 제조 원가가 급증하며, 태양전지 기판으로 사용하기 위해서는 표면 거칠기의 관리가 필수적인데, 압연법으로 기판을 제조하는 경우 개재물이 표면층에 분포하여 표면 거칠기를 제어하기 어렵다는 단점이 있다.
As described above, when a metal substrate is manufactured by the electroforming method, since the substrate can be manufactured by a simple process as compared with the conventional rolling process, the productivity is excellent, and the thinning of the substrate can be easily achieved. On the other hand, in the case of manufacturing a wired ultra slim substrate using the rolling method, the manufacturing cost increases as the thickness becomes thinner. In the case of manufacturing the substrate by the rolling method, it is necessary to control the surface roughness for use as a solar cell substrate. It is difficult to control the surface roughness by distributing in the surface layer.

전술한 바와 같이, 전기주조법을 이용하여 Fe-Ni합금 기판을 제조하기 위해서는, 전해조에 투입되는 전해액이 Fe전구체로서, 황산철, 염화철, 질산철 또는 설파민산철 등이, Ni전구체로서, 황산니켈, 염화니켈, 질산니켈 또는 설파민산니켈 등이 포함되게 함으로써, 상기 Fe-Ni합금이 제조될 수 있다.
As described above, in order to produce an Fe-Ni alloy substrate by using the electroforming method, it is preferable that the electrolytic solution to be fed into the electrolytic bath contains iron sulfate, iron chloride, iron nitrate, iron sulfamate or the like as the Fe precursor, , Nickel chloride, nickel nitrate, or nickel sulfamate, and the like, so that the Fe-Ni alloy can be produced.

상기 Fe-Ni합금은 Ni함량이 30~55중량%인 것이 바람직한데, 이를 위해, 전해액의 조성을 물 1L당, Fe 전구체가 1~15g, Ni 전구체가 10~40g이 되도록 하는 것이 바람직하며, 전기 주조가 용이하게 이루어지기 위해서, 전해액의 pH를 조절하기 위한 pH완충제, 혹은 기판의 응력을 저감시켜 음극 드럼으로부터 기판이 용이하게 탈착되도록 하는 저응력제 등이 추가적으로 포함될 수 있다.
The Fe-Ni alloy preferably has an Ni content of 30 to 55 wt%. For this purpose, it is preferable that the composition of the electrolytic solution is 1 to 15 g of the Fe precursor and 10 to 40 g of the Ni precursor per liter of water, A pH buffer for adjusting the pH of the electrolytic solution or a low stress agent for easily removing and removing the substrate from the cathode drum by reducing the stress of the substrate may be further included.

상기 금속 기판은 일정 수준의 표면 조도, 즉, 1.5nm의 표면 거칠기가 부여되는 것이 바람직한데, 전기 주조를 행함에 있어 음극 드럼을 나노 패터닝화 즉, 음극 드럼 표면 자체를 컨트롤하여, 이 표면에 형성되는 기판이 전기주조됨과 동시에 상기 범위의 표면 거칠기가 형성되도록 할 수 있으며, 다른 방법으로는 계면활성제를 0.05~0.4g/L의 범위로 투입하는 것이다. 다만, 상기 계면활성제를 0.05g/L 미만으로 투입하게 되면 기판의 표면이 과도하게 거칠어질 수 있으며, 4.0g/L를 초과하게 되면 기판에 일정 수준 이상의 표면 거칠기를 부여하는 것이 곤란해질 수 있다.
The metal substrate is preferably provided with a surface roughness of 1.5 nm, that is, a surface roughness of 1.5 nm. In electroforming, the negative electrode is patterned by nano-patterning, that is, the surface of the negative electrode drum itself is controlled, And the surface roughness in the above range can be formed. In another method, the surfactant is added in the range of 0.05 to 0.4 g / L. However, if the surfactant is added in an amount of less than 0.05 g / L, the surface of the substrate may be excessively roughened, and if it exceeds 4.0 g / L, it may be difficult to impart a surface roughness of a certain level or more to the substrate.

상기와 같이 제조된 기판에 반도체 층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 반도체 층은 350~450℃의 온도에서 5~30초 간 급속 가열하여 형성하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 급속 가열을 행함으로써, 변성없이 반도체 층을 형성시킬 수 있다. 급속 가열을 행하는 이유는 종래, 스퍼터(sputter), 졸-겔(sol-gel) 열분해(pyrolysis)에 의해 제조되는 경우, 소자성능이 발현되지 못하거나, 열처리 시간에 따라 변성이 잘 일어나는 등의 문제가 있으므로, 급속 가열을 행하여 반도체 층을 형성한다.
It is preferable to form a semiconductor layer on the substrate manufactured as described above. The semiconductor layer is preferably formed by rapid heating at a temperature of 350 to 450 DEG C for 5 to 30 seconds. By performing the rapid heating as described above, the semiconductor layer can be formed without modification. The reason for performing the rapid heating is that, when it is produced by sputtering, sol-gel thermal decomposition (pyrolysis), the device performance is not exhibited or denaturation occurs well depending on the heat treatment time The semiconductor layer is formed by rapid heating.

상기 급속가열은 350~450℃의 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 급속가열 온도가 350℃ 미만인 경우 졸(sol) 상태 전구체가 겔(gel) 상태로 상변화 하지 못하는 문제가 있으며, 450℃를 초과하는 경우에는 플렉서블 특성을 가진 하부 금속기판이 변형될 문제가 있다. 또한, 상기 5초 미만으로 가열을 행하는 경우 해당시간내에 가열판에서 반도체층으로 충분히 열전달이 안될 문제가 있으며, 30초를 초과하여 가열을 행하는 경우 고온의 금속기판의 표면이 산소와 반응하여 산화되어 절연막이 생성될 문제가 있다.
The rapid heating is preferably performed in a temperature range of 350 to 450 ° C. When the rapid heating temperature is lower than 350 ° C, there is a problem that the sol state precursor does not change into a gel state. When the rapid heating temperature is higher than 450 ° C, the underlying metal substrate having a flexible characteristic is deformed . When heating is performed for less than 5 seconds, there is a problem that heat transfer from the heating plate to the semiconductor layer is insufficient. In the case of heating for more than 30 seconds, the surface of the high temperature metal substrate reacts with oxygen, There is a problem to be generated.

상기와 같이 제조된 반도체 층의 일면에 정공 추출층, 광흡수층, 전자추출층 및 음극을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 정공 추출층, 광흡수층, 정공추출층 및 양극은 통상의 방법으로 형성시키는 것이 바람직하다.
The hole extraction layer, the light absorption layer, the electron extraction layer, and the cathode are preferably formed on one surface of the semiconductor layer. The hole extraction layer, the light absorption layer, the hole extraction layer and the anode are preferably formed by a conventional method.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. It should be noted, however, that the following examples are intended to illustrate the invention in more detail and not to limit the scope of the invention. The scope of the present invention is determined by the matters set forth in the claims and the matters reasonably inferred therefrom.

(실시예)(Example)

전해조, 양극 드럼, 음극, 전원을 구비하는 전기주조장치를 준비하였다. 상기 전해조에는 Fe 전구체: 7g/L 및 Ni전구체: 30g/L를 포함하는 전해액을 준비하고, 상기 전해액에 양극 드럼의 일부를 침지시키고, 상기 양극 드럼의 표면에 금속 기판이 형성되도록 상기 양극 드럼 및 음극에 전류를 인가하였다. 이때, 제조된 기판의 표면 거칠기 및 표면 조도는 하기 표 1에 나타내었다.
An electroforming apparatus equipped with an electrolytic bath, a cathode drum, a cathode, and a power source was prepared. An electrolytic solution containing 7 g / L of an Fe precursor and 30 g / L of a Ni precursor was prepared in the electrolytic bath, and a part of the cathode drum was immersed in the electrolytic solution to form a metal substrate on the surface of the cathode drum. Current was applied to the cathode. The surface roughness and the surface roughness of the prepared substrate are shown in Table 1 below.

상기 준비된 기판에 하기 표 1의 조건에 따라 급속가열을 행하여 반도체 층을 제조하였다. 그 후, 스핀코팅 공정에 의하여 광흡수층을 형성하였고, 증착공정에 의하여 전자추출층 및 음극을 형성하였다.
The prepared substrate was subjected to rapid heating under the conditions shown in Table 1 below to prepare a semiconductor layer. Thereafter, a light absorption layer was formed by a spin coating process, and an electron extraction layer and a cathode were formed by a deposition process.

이와 같이 제조된 유기 태양전지의 전지특성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
The cell characteristics of the thus produced organic solar cell were measured and are shown in Table 2 below.

구분division 기판Board 반도체층Semiconductor layer 광전변환효율Photoelectric conversion efficiency 표면조도(㎚)Surface roughness (nm) 표면 거칠기(㎚)Surface roughness (nm) 두께(㎚)Thickness (nm) 형성방법How to form 가열온도(℃)Heating temperature (℃) 가열시간(초)Heating time (sec) 발명예1Inventory 1 1.31.3 0.90.9 3030 졸-겔(sol-gel)Sol-gel < RTI ID = 0.0 > 350350 88 2.2%2.2% 비교예1Comparative Example 1 4.94.9 3.63.6 3030 졸-겔(sol-gel)Sol-gel < RTI ID = 0.0 > 350350 88 1.0%1.0% 비교예2Comparative Example 2 8.88.8 7.57.5 3030 졸-겔(sol-gel)Sol-gel < RTI ID = 0.0 > 350350 88 0%0% 비교예3Comparative Example 3 1.31.3 0.90.9 3030 졸-겔(sol-gel)Sol-gel < RTI ID = 0.0 > 350350 600600 0.4%0.4% 비교예4Comparative Example 4 1.31.3 0.90.9 3030 스퍼터(Sputter)Sputter -- -- 0.4%0.4%

본 발명의 조건을 모두 만족하는 발명예 1의 경우 광전변환효율이 매우 높은것을 확인할 수 있다. 반면에 비교예 1 내지 4는 표면평탄도 및 표면 거칠기가 매우 높은 경우에는 광전변환효율이 열위한 것을 확인할 수 있다.
It can be confirmed that the inventive Example 1 satisfying all the conditions of the present invention has a very high photoelectric conversion efficiency. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4, when the surface flatness and the surface roughness are extremely high, it is confirmed that the photoelectric conversion efficiency is improved.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. Be able to

100: 기판
200: 반도체층
300: 정공추출층
400: 광흡수층
500: 전자추출층
600: 음극 100: substrate
200: semiconductor layer
300: hole extraction layer
400: light absorbing layer
500: electron extraction layer
600: cathode

Claims (10)

기판;
기판의 일면에 형성된 반도체 층;
상기 반도체 층의 일면에 형성된 정공 추출층;
상기 정공 추출층의 일면에 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층의 일면에 형성된 전자 추출층; 및
상기 전자 추출층의 일면에 형성된 음극을 포함하고, 상기 기판의 표면 거칠기(Rq)는 1.5㎚ 이하이고, 표면 평탄도(Ra)는 0.9㎚이하인 정구조 유기 태양전지.
Board;
A semiconductor layer formed on one surface of the substrate;
A hole extraction layer formed on one surface of the semiconductor layer;
A light absorbing layer formed on one surface of the hole extracting layer;
An electron extraction layer formed on one surface of the light absorption layer; And
Wherein the substrate has a surface roughness (Rq) of 1.5 nm or less and a surface flatness (Ra) of 0.9 nm or less.
제 1항에 있어서,
상기 기판은 양극과 기판의 역할을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 정구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate simultaneously serves as an anode and a substrate.
제 1항에 있어서,
상기 반도체 층은 상기 광흡수층에서 흡수된 전자가 상기 기판으로 이동할 때 생기는 에너지장벽(energy-barrier)를 낮춰주는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 정구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the semiconductor layer functions to lower an energy barrier generated when electrons absorbed in the light absorption layer move to the substrate.
제 1항에 있어서,
상기 반도체 층은 기판을 평탄화 시키는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 정구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the semiconductor layer functions to planarize the substrate.
제 1항에 있어서,
상기 반도체 층의 두께는 5~200㎚인 정구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the semiconductor layer has a thickness of 5 to 200 nm.
기판을 준비하는 단계;
상기 기판의 일면에 반도체 층을 형성하는 단계;
상기 반도체 층의 일면에 정공추출층을 형성하는 단계;
상기 정공추출층의 일면에 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층의 일면에 전자추출층을 형성하는 단계; 및
상기 전자추출층의 일면에 음극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 기판은 전기 주조법에 의하여 제조되고, 상기 반도체 층은 350~450℃의 온도에서 5~30초 간 급속 가열하여 형성하는 것을 특징으로 하는 정구조 유기 태양전지의 제조방법.
Preparing a substrate;
Forming a semiconductor layer on one surface of the substrate;
Forming a hole extraction layer on one surface of the semiconductor layer;
Forming a light absorption layer on one surface of the hole extraction layer;
Forming an electron extraction layer on one side of the light absorption layer; And
And forming a cathode on one side of the electron extraction layer, wherein the substrate is formed by an electroforming method, and the semiconductor layer is formed by rapid heating at a temperature of 350 to 450 DEG C for 5 to 30 seconds Gt; < / RTI >
제 6항에 있어서,
상기 급속 가열은 10초 미만으로 행하는 것을 특징으로 하는 정구조 유기 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the rapid heating is performed for less than 10 seconds.
제 6항에 있어서,
상기 기판의 표면 거칠기(Rq)는 1.5㎚ 이하이고, 표면 평탄도(Ra)는 0.9㎚이하인 정구조 유기 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the substrate has a surface roughness (Rq) of 1.5 nm or less and a surface flatness (Ra) of 0.9 nm or less.
제 6항에 있어서,
상기 전기 주조법은 전해조, 양극 드럼, 음극, 전원을 구비하는 전기주조장치를 이용하여 기판을 제조하는 방법을 이용하여 행해지는 것으로서,
Fe 전구체: 1~15g/L 및 Ni전구체: 10~40g/L를 포함하는 전해액을 준비하는 단계;
상기 전해액에 양극 드럼의 일부를 침지시키는 단계; 및
상기 양극 드럼의 표면에 금속 기판이 형성되도록 상기 양극 드럼 및 음극에 전류를 인가하는 단계를 포함하는 정구조 유기 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 6,
The electroforming method is performed by a method of manufacturing a substrate using an electroforming apparatus having an electrolytic bath, a cathode drum, a cathode, and a power source,
Preparing an electrolyte solution containing 1 to 15 g / L of Fe precursor and 10 to 40 g / L of Ni precursor;
Immersing a part of the positive electrode drum in the electrolyte solution; And
And applying a current to the cathode and the cathode so that a metal substrate is formed on the surface of the cathode drum.
제 9항에 있어서,
상기 전해액은 0.05~0.4g/L의 계면활성제를 추가로 포함하는 정구조 유기 태양전지의 제조방법.10. The method of claim 9,
Wherein the electrolytic solution further contains 0.05 to 0.4 g / L of a surfactant.

Images