KR20230037176A - 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20230037176A
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강리라
류경한
이병홍
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윤인식
박장웅
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로써, 태양전지용 투명전극은 낮은 영률(young's modulus)을 갖고 신축성이 뛰어날 뿐만 아니라 자가치유특성을 갖고 있고, 양면(Bifacial) 특성을 가질정도로 평균 가시광 투과율의 우수할 뿐만 아니라 전력변환효율(PCE)이 우수한 장점이 있다. 또한, 태양전지용 투명전극 제조방법은 추가적인 증착공정이 필요하지 않으므로 전극 제작시간을 단축할 뿐만 아니라, 전극제작공정을 다른 태양전지 제작공정과 분리하여 제조할 수 있으므로 대량생산 및 대면적 적용에 유리한 장점이 있다.

Description

태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법{Transparent electrode for solar cell and manufacturing method thereof}
태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
기존 태양전지의 상부전극의 경우는 불투명한 상부전극을 사용하고 있었으나, 상부전극도 투명해야 빛이 투과하여 이종 전지 등에 도달해야 하는 바, 최근에는 상부전극을 투명전극으로 대체하는 방식이 진행되고 있었다.
다만, 스퍼터링으로 투명전극을 스퍼터링하는 경우 버퍼층을 도입하여 증착시킬 수 있으나, 이는 종래 불투명한 상부전극 대비 광전환효율이 나쁘고, 투과성이 낮으며 안정성이 떨어지는 단점이 있었다.
즉, 대체되는 대부분의 투명전극의 경우, 면저항이 높아서 태양전지의 광전환효율이 저하되거나, 투과성이 낮거나, 다른 부가적인 공정이 추가되는 단점을 지니고 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0117832호
액체금속으로 구성된 복수의 격자구조가 특정 폭과 간격에 따라 형성된 주 전도부와 이를 감싸는 보호부, 그리고, 주 전도부의 하부에 위치한 보조 전도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 투명전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 측면에 따른 태양전지용 투명전극은 액체금속이 복수의 격자구조로 형성된 주 전도부; 상기 복수의 격자구조를 감싸고, 엘라스토머를 포함하는 보호부; 및 상기 주 전도부 내 격자구조의 하부에 위치하여, 전도성 물질을 포함하는 보조 전도부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 액체금속은 갈륨-인듐 공융합금(eutectic gallium-indium alloy; EGaIn)일 수 있다.
상기 격자구조 간 간격(width)은 20μm 이하일 수 있다.
상기 격자구조의 폭(pitch)는 500μm 이하일 수 있다.
상기 엘라스토머는 PDMS(Polydimethylsiloxane), 및 TPE(Thermoplastic Polyurethane Elastomer)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도성 물질은 인듐주석산화물(Indium tin oxide; ITO), 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide layer; TCO), 탄소나노물질, 및 전도성 고분자(Conductive polymer)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 태양전지용 투명전극은 페로스카이트(perovskite) 태양전지의 상부전극으로 사용될 수 있다.
상기 태양전지용 투명전극은 전력변환효율(Power conversion efficiency; PCE)은 10% 내지 14%일 수 있다.
상기 태양전지용 투명전극은 평균 가시광 투과율(average visible light transmittance; AVT)는 78% 내지 82%일 수 있다.
다른 일 측면에 따른 태양전지용 투명전극 제조방법은 기판 상에 희생층을 코팅하는 단계; 상기 희생층 상에 액체금속을 프린팅 공정을 통해 복수의 격자구조를 형성시켜 주 전도부를 형성시키는 단계; 상기 주 전도부 상에 엘라스토머를 위치시켜 상기 복수의 격자구조를 감싸도록 보호부를 형성시키는 단계; 상기 희생층을 제거하여 주 전도부 및 보호부로부터 기판을 분리시키는 단계; 및 상기 주 전도부 내 격자구조 하부에 위치하도록, 전도성 물질을 포함하는 보조 전도부를 위치시키는 단계;를 포함한다.
상기 희생층은 LOR(Lift Off Resist) 3A, 및 PMMA (Poly(Methyl Methacrylate)) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 액체금속으로 구성된 복수의 격자구조가 특정 폭과 간격에 따라 형성된 주 전도부를 포함하고 그 하부에 보조 전도부를 추가적으로 포함하므로, 상부전극으로 이용하더라도 전력변환효율(PCE)이 우수할 뿐만 아니라, 양면(Bifacial) 특성을 가질정도로 평균 가시광 투과율의 우수한 장점이 있다.
또한, 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 주 전도부의 격자구조는 액체금속으로 구성되어 있어 일반금속들이 비해 낮은 영률(young's modulus)을 갖고 산소에 노출 시 산화막을 형성하므로, 신축성이 뛰어날 뿐만 아니라 자가치유특성을 갖고 있다.
또한, 다른 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극 제조방법은 액체금속을 프린팅 공정을 통해 주 전도부의 격자구조를 복수로 형성시키므로, 전극 제작시간이 단축되고, 추가적인 증착공정이 필요하지 않을 뿐만 아니라, 전극제작공정을 다른 태양전지 제작공정과 분리하여 제조할 수 있으므로 대량생산 및 대면적 적용에 유리한 장점이 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극의 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극 내 주 전도부의 격자구조를 확대한 평면도이다.
도 3은 비교예1에 따른 상부전극(ITO)과 실시예1에 따른 상부전극의 파장(Wavelength)(nm)에 따른 투과도(Transmittance)(%)를 나타낸 그래프이다.
이상의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
기존 태양전지의 상부전극의 경우는 불투명한 상부전극을 사용하고 있었으나, 상부전극도 투명해야 빛이 투과하여 이종 전지 등에 도달해야 하는 바, 최근에는 상부전극을 투명전극으로 대체하는 방식이 진행되고 있었다. 다만, 대체되는 대부분의 투명전극의 경우, 면저항이 높아서 태양전지의 광전환효율이 저하되거나, 투과성이 낮거나, 다른 부가적인 공정이 추가되는 단점을 지니고 있었다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 액체금속으로 구성된 복수의 격자구조를 특정 폭과 간격을 갖도록 프린팅 공정으로 제조한 주 전도부와 이를 감싸는 보호부, 그리고, 주 전도부의 하부와 인접하게 위치한 보조 전도부를 포함하도록 제조한 태양전지용 투명전극의 경우, 전극 제작시간이 단축되고, 추가적인 증착공정이 필요하지 않을 뿐만 아니라, 상부전극으로 이용하더라도 전력변환효율(PCE)이 우수할 뿐만 아니라, 양면(Bifacial) 특성을 가질정도로 평균 가시광 투과율의 우수한 것을 발견하고 태양전지용 투명전극을 완성하였다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극(1)의 단면도이다. 이를 참고하면, 액체금속이 복수의 격자구조로 형성된 주 전도부(11), 상기 복수의 격자구조의 상부 및 측부를 감싸는 보호부(13), 및 상기 주 전도부 내 격자구조 하부에 인접하게 위치하는 보조 전도부(15)를 포함한다.
상기 주 전도부(11)는 액체금속이 복수의 격자구조로 형성되어 전극의 전하 균일성을 향상시켜 전력변환효율(PCE)을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.
상기 액체금속은 전하 균일성 향상을 위해 금속 전도도가 높으면서도 신축성이 우수한 것, 예를 들어, 갈륨-인듐 공융합금(eutectic gallium-indium alloy; EGaIn), GaInSn(Galinstan)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 프린팅 공정에 적합한 점도를 가진 갈륨-인듐 공융합금을 포함할 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극 내 주 전도부의 격자구조를 확대한 평면도이다. 이를 참고하면, 상기 액체금속이 특정 폭(pitch)과 간격(width)을 갖는 복수의 격자구조로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 격자구조 간 간격(width)은 20μm 이하일 수 있고, 바람직하게는, 1μm 내지 10μm일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 격자구조 간 간격(width)이 너무 좁아지면 면저항이 증가한다는 단점이 있고, 격자구조 간 간격(width)이 너무 넓어지면 투과율이 감소한다는 단점이 있다.
또한, 상기 격자구조 폭(pitch)은 500μm 이하일 수 있고, 바람직하게는, 100μm 내지 200μm일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 격자구조 폭(pitch)이 너무 좁아지면 투과율이 감소한다는 단점이 있고, 격자구조 간 폭(pitch)이 너무 넓어지면 면저항이 증가한다는 단점이 있다.
또한, 상기 액체금속은 격자구조의 형태를 가짐으로 인해 격자구조 최외곽부는 표면 산화로 인해 얇은 산화물층을 더 포함할 수 있다. 상기 산화물층으로 인해 보호부와 함께 신축성을 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라 격자구조를 유지시키는 특성으로 인해 자가치유특성 또한 갖는 특징이 있다.
일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 캐리어가 확산할 수 있는 거리 내에 액체금속으로 구성된 격자구조가 위치하도록 격자구조 간 간격과 폭 조절을 통해 최적의 간격과 폭의 격자구조를 갖는 주 전도부를 포함하는 것이 특징이다. 이에, 상기 특징을 갖는 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 액체금속으로 구성된 복수의 격자구조가 특정 폭과 간격에 따라 형성된 주 전도부를 포함하므로, 전극에 도달할 수 있는 캐리어의 빈도가 훨씬 높아지는 바 전하 캐리어 재조합(charge carrier recombination)이 감소하므로 전력변환효율(PCE)이 우수한 장점이 있다.
상기 보호부(13)는 주 전도부 내 복수의 격자구조 각각의 하부를 제외한 상부 및 측부를 감싸 격자구조 형태의 액체금속을 내장시키면서도, 엘라스토머를 포함하여 신축성을 유지시킬 수 있는 특징이 있다.
상기 엘라스토머는 신축성을 유지할 뿐만 아니라 투과율을 향상시키기 위해 투명한 엘라스토머를 포함할 수 있고, 바람직하게는 열경화성 엘라스토머 수지로써, 예를 들어, PDMS(Polydimethylsiloxane), 및 TPE(Thermoplastic Polyurethane Elastomer)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 가시광선 및 적외선 영역에서 투명한 PDMS를 포함할 수 있다.
상기 보호부는 외력 및 화학적 노출에 대비하여 상기 주 전도부를 감싸보호하면서도 신축성을 유지시킬 뿐만 아니라, 투명한 엘라스토머를 포함하여 광투과율을 향상시켜 양면(Bifacial) 특성을 부여시키는 특징이 있다.
상기 보조 전도부(15)는 상기 주 전도부 내 격자구조 하부에 인접하게 위치하여 주 전도부의 격자구조의 형태를 갖는 액체금속과 접촉하여 전기적 경로를 형성시키는 역할을 한다.
이를 위해 상기 보조 전도부는 전도성 물질을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 투명성 향상을 위해 종래 투명전극으로 사용하는 투명한 전도성 물질, 예를 들어, 인듐주석산화물(Indium tin oxide; ITO), 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide layer; TCO), 탄소나노물질, 및 전도성 고분자(Conductive polymer) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 가시광선 및 적외선 영역에서 투명하고, 두께조절이 용이한 ITO를 전도성 물질로써 포함할 수 있다.
특히, 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 페로브스카이트(perovskite) 태양전지의 전극 중 상부전극으로 사용될 수 있다.
이에 따라, 상기 특성을 만족하는 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극의 전력변환효율(Power conversion efficiency; PCE)은 10% 내지 14%로써 종래 상부전극으로 사용되던 불투명 전극 전력변환효율과 비교했을 때 90% 이상의 효율로써 종래 효율과 거의 유사한 전력변환효율을 갖는 특징이 있다.
또한, 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극의 평균 가시광 투과율(average visible light transmittance; AVT)는 78% 내지 82%로써 기존 개발을 통해 상부전극으로 사용되는 투과율과 거의 유사한 평균 가시광 투과율을 갖는 특징이 있다.
즉, 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 액체금속으로 구성된 복수의 격자구조가 특정 폭과 간격에 따라 형성된 주 전도부를 포함하고 그 하부에 보조 전도부를 추가적으로 포함하므로, 상부전극으로 이용하더라도 전력변환효율(PCE)이 우수할 뿐만 아니라, 양면(Bifacial) 특성을 가질정도로 평균 가시광 투과율의 우수한 장점이 있다.
또한, 다른 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극 제조방법은 기판 상에 희생층을 코팅하는 단계(S10); 상기 희생층 상에 액체금속을 프린팅 공정을 통해 복수의 격자구조를 형성시켜 주 전도부를 형성시키는 단계(S20); 상기 주 전도부 상에 엘라스토머를 위치시켜 상기 복수의 격자구조의 상부 및 측부를 감싸도록 보호부를 형성시키는 단계(S30); 상기 희생층을 제거하여 전도부 및 보호부로부터 기판을 분리시키는 단계(S40); 및 상기 전도부 내 격자구조 하부에 인접하게 위치하도록, 전도성 물질을 포함하는 보조 전도부를 위치시키는 단계(S50);를 포함한다. 상기 태양전지용 투명전극 제조방법은 전술한 태양전지용 투명전극에 관한 내용과 실질적으로 중복되는 내용을 포함할 수 있고, 중복된 부분에 대한 설명은 생략할 수 있다.
상기 희생층을 코팅하는 단계(S10)는 기판 상에 희생층을 코팅하여 추후 주 전도부를 형성시킬 수 있는 지지대 역할로써의 기판과 추후 주 전도부와 보호부만을 남기기 위한 역할로써의 희생층을 코팅하는 단계이다.
상기 기판은 희생층 상에 격자구조 형태의 주 전도부를 형성시킬 수 있는 지지층 역할로써의 기판이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼, 및 실리콘 산화물 웨이퍼로 이루어진 군으로부터 선택된 기판일 수 있다.
상기 희생층은 추후 주 전도부와 보호부로부터 기판을 분리시킬 때 사용하는 용액으로 분리될 수 있는 층이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, LOR(Lift Off Resist) 3A, 및 PMMA(Poly(Methyl Methacrylate))로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 희생층을 기판 상에 코팅하는 방법은 태양전지 분야에서 코팅하기 위한 통상의 방법을 통해 코팅시킬 수 있고, 예를 들어, 스핀 코팅 (spin coating), 블레이드 코팅 (blade coating) 또는 바 코팅 (bar coating) 등의 방법으로 코팅시킬 수 있다.
상기 주 전도부를 형성시키는 단계(S20)는 상기 희생층 상에 액체금속을 프린팅 공정을 통해 복수의 격자구조를 형성시켜 주 전도부를 형성시키는 단계이다.
상기 프린팅 공정은 상기 희생층 상에 액체금속을 선형으로 프린팅한 뒤, 기판을 평면상으로 회전시킨 뒤, 종전 선형으로 프린팅한 액체금속과 평면상에서 90도로 만나도록 선형으로 프린트하여 그리드(grid)형태로 제조하여 최종적으로 액체금속을 격자구조로 복수로 제조할 수 있는 특징이 있다.
구체적으로, 프린팅 공정은 내부에 액체금속을 수용한 노즐을 공압을 통해 노즐로부터 기판 상의 희생층 상에 토출시킬 수 있다. 그 다음, 노즐을 선형으로 이동시켜 최종적으로 액체금속을 선형으로 프린팅할 수 있다. 그 다음, 기판을 평면상으로 회전시킨 후, 동일한 방법으로 종전 선형으로 프린팅한 액체금속과 평면상에서 90도로 만나도록 선형으로 프린트하여 그리드(grid)형태로 제조하여 최종적으로 액체금속을 격자구조로 복수로 제조할 수 있다.
이때, 상기 프린팅 공정의 각각의 선형 프린팅 시 각각의 선폭조절을 통해, 격자구조 간 간격(width)과 격자구조의 폭(pitch)을 조절할 수 있는 특징이 있다.
즉, 다른 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극 제조방법은 액체금속을 프린팅 공정을 통해 주 전도부의 격자구조를 복수로 형성시키므로, 버퍼층 등과 같은 추가적인 증착공정 등이 필요하지 않고, 전극 제작시간이 단축시킬 뿐만 아니라, 격자구조 간 간격(width)과 격자구조의 폭(pitch)을 최적의 상태로 간단하게 조절시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 보호부를 형성시키는 단계(S30)는 상기 복수의 격자구조의 상부 및 측부를 감싸도록 주 전도부 상에 엘라스토머를 위치시키는 단계이다.
이때, 복수의 격자구조의 하부에는 엘라스토머를 위치시키지 않아 추후 보조 전도부와 복수의 격자구조의 하부만이 액체금속을 접촉시킬 수 있다.
상기 엘라스토머를 주 전도부 내 복수의 격자구조의 상부 및 측부를 감싸도록 위치시키는 방법은 태양전지 분야에서 사용할 수 있는 통상의 방법을 통해 위치시킬 수 있고, 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating) 또는 바 코팅(bar coating) 등의 방법으로 위치시킬 수 있다.
상기 기판을 분리시키는 단계(S40)는 상기 희생층을 제거하여 전도부 및 보호부로부터 기판을 분리시키는 단계이다.
상기 분리시키는 방법은 희생층을 제거할 수 있는 용액을 투입하여 기재를 전도부 및 보호부로부터 기판을 분리시킬 수 있다.
상기 희생층을 제거할 수 있는 용액은 Mr-rem 700, 및 아세톤(acetone)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 용액으로 제한되지 않는다.
상기 보조 전도부를 위치시키는 단계(S50)는 상기 전도부 내 격자구조 하부에 인접하게 위치하도록, 전도성 물질을 포함하는 보조 전도부를 위치시키는 단계이다.
이때, 전도성 물질을 포함하는 보조 전도부를 단독으로 위치시킬 수 있지만, 상기 보조 전도부와 함께 포함된 태양전지 초기 적층체를 위치시켜 보조 전도부의 일면을 상기 전도부 내 격자구조 하부에 인접하게 위치시킬 수 있다.
상기 태양전지 초기 적층체는 페로스브스카이트 태양전지의 상부전극을 제외한 적층체일 수 있고, 바람직하게는, 상기 초기 적층체는 보조 전도부 타면 상에 정공수송층(hole transport layer; HTL), 정공수송층 상에 페로브스카이트층, 상기 페로브스카이트층 상에 전자수송층(Electron transport layer; ETL), 상기 전자수송층 상에 하부전극, 상기 하부전극 상에 글래스층을 차례로 포함할 수 있다.
즉, 다른 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극 제조방법은 전극제작공정과 태양전지 초기 적층체 등과 같은 다른 태양전지 제작공정과 분리하여 제조할 수 있으므로 대량생산 및 대면적 적용에 유리한 장점이 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 태양전지용 투명전극을 상부전극으로 하는 태양전지 제조
(S10) 기판으로 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 그 기판 상에 LOR(Lift Off Resist) 3A를 포함하는 희생층을 스핀 코팅의 방법으로 코팅시켰다.
(S20) 노즐 내부에 액체금속으로 갈륨-인듐 공융합금(eutectic gallium-indium alloy; EGaIn)을 포함시킨 후, 프린트 공정을 통해 복수의 격자구조를 포함하는 주 전도부를 제조하였다. 이때, 상기 격자구조 간 간격(width)은 5μm였고, 격자구조의 폭(pitch)는 100μm였다.
(S30) 엘라스토머로 투명한 경화성 엘라스토머인 PDMS를 스핀 코팅의 방법으로 상기 복수의 격자구조의 상부 및 측부를 감싸도록 위치시켜 보호부를 형성시켰다.
(S40) 희생층 제거 용액으로 mr-Rem 700을 사용하여 전도부 및 보호부로부터 기판을 분리시켰다.
(S50) 상기 전도부 내 격자구조 하부에 인접하게 위치하도록, 전도성 물질인 ITO를 포함하는 보조 전도부를 위치시켰다. 구체적으로, '태양전지 초기 적층체에 포함되어 있는 보조 전도부'의 일면에 상기 전도부 및 투명부에 위치시켰다.
이때, 상기 태양전지 초기 적층체는 보조 전도부 타면 상에 정공수송층(hole transport layer; HTL), 정공수송층 상에 페로브스카이트층, 상기 페로브스카이트층 상에 전자수송층(Electron transport layer; ETL), 상기 전자수송층 상에 하부전극, 상기 하부전극 상에 글래스층을 차례로 포함되어 있었다.
이에, 최종적으로 주전도부, 보호부, 및 보조 전도부를 포함하는 태양전지용 투명전극을 상부전극으로 한 태양전지를 제조하였다.
실시예 2 : 격자구조 크기가 다른 태양전지용 투명전극을 상부전극으로 하는 태양전지 제조
실시예 1과 비교했을 때, 상기 격자구조 간 간격(width) 10μm, 격자구조의 폭(pitch) 200μm인 복수의 격자구조로 주 전도부를 제조하는 것을 제외하고 , 실시예 1과 동일하게 태양전지를 제조하였다.
실시예 3 : 격자구조 크기가 다른 태양전지용 투명전극을 상부전극으로 하는 태양전지 제조
실시예 1과 비교했을 때, 상기 격자구조 간 간격(width) 20μm, 격자구조의 폭(pitch) 500μm인 복수의 격자구조로 주 전도부를 제조하는 것을 제외하고 , 실시예 1과 동일하게 태양전지를 제조하였다.
비교예 1 내지 비교예 4 : 상부전극의 종류가 다른 태양전지용 투명전극 제조
실시예 1과 비교했을 때, '일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극'을 상부전극으로 사용하는 대신, 인듐주석산화물(Indium tin oxide; ITO) (비교예 1), 얇은 두께의 금(Au)(10nm)(비교예 2), 얇은 두께의 은(Ag)(10nm)(비교예 3), poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)(비교예 4)를 사용하여 상부전극을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 태양전지용 투명전극을 제조하였다.
실험예 1 : 태양전지용 투명전극의 전력변환효율(PCE) 및 평균 가시광 투과율(AVT) 검토
실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 투명전극을 상부전극으로 포함하는 태양전지를 제조하고, 전력변환효율(Power conversion efficiency; PCE) 및 평균 가시광 투과율(average visible light transmittance; AVT)을 각각 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구체적으로, 상기 측정은 PCE의 경우, 제작한 태양전지에 ORIEL sol 3A 장비로 100mW/cm2(1 Sun) 의 광량을 조사하면서, 전압을 -0.1V 에서 1.2V 까지 인가한 후 측정된 Voc, Jsc 등의 값을 통해 충진 계수(fill factor, FF) 등의 값을 통해 하기 식을 통해 산출하였다.
PCE = (Voc x Jsc x FF) / (Pin)
이때, Pin는 1 Sun (100mW/cm2)을 나타냄
AVT의 경우, UV/VIS spectrophotometer 를 사용하여 측정하는 방법으로 수행하였다.
비고 Width
(㎛)		 Pitch
(㎛)		 Voc (V) Jsc (mA/cm^2) Fill Factor (%) PCE (%) Au 대비 효율 (%) AVT (%)
Ref
금(Au)		 - - 1.06 22.18 59.89 14.08 Ref 0
비교예 1 - - 0.96 5.73 23.47 1.30 9.2 85
비교예 2 - - 0.051 0.010 25.0 0.001 0.007 40
비교예 3 - - 0.015 0.051 23.1 0.0001 0.0007 45
비교예 4 - - 0.88 0.84 20.4 2.32 16.4 90
실시예1 5 100 1.09 21.04 59.05 13.54 96.1 80
실시예2 10 200 1.10 21.73 54.61 13.03 92.5 80
실시예3 20 500 1.08 21.84 46.76 11.02 78.2 80
표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 태양전지는 전력변환효율(PCE)이 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 태양전지보다 매우 높다는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 실시예 3에 따른 태양전지처럼 격자구조 간 간격(width)과 폭(pitch)이 크더라도 다른 투명전극으로 제조한 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 태양전지보다 전류밀도(Jsc)가 일정하게 유지되어 전력변환효율(PCE)이 상대적으로 높다는 것을 확인할 수 있었다.특히, 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 태양전지는 불투명 전극인 금(Au)을 사용하여 제조한 것에 비해 전력변환효율(PCE)이 비슷한 정도인 것을 확인할 수 있었고, 평균 가시광 투과율(AVT) 또한 다른 투명전극으로 제조한 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 태양전지와 동등한 수준인 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 종래 투명전극과 동등한 가시광 투과율을 가지면서도 종래 불투명 전극의 전력변환효율(PCE)과 동등한 수준을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 태양전지의 전력변환효율(PCE)은 격자구조 간 간격(width)과 폭(pitch)이 점점 줄어들수록 높아진다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 주 전도부 내 격자구조를 더 조밀하게 만들수록 전력변환효율(PCE)가 높아지는 바, 격자구조가 조밀해질수록 전극에 도달할 수 있는 캐리어의 빈도가 훨씬 높아지는 바 전하 캐리어 재조합(charge carrier recombination)이 감소하므로 전력변환효율(PCE)이 높아진다는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2 : 태양전지용 투명전극의 양면(Bifacial) 특성 등의 광학적 특성 검토
실시예 1에 따라 제조한 태양전지 중 상부전극만의 투과도와 면저항, 비교예 1따라 제조한 태양전지 중 상부전극(ITO)만의 투과도와 면저항을 측정하고 그 결과를 하기 도 3 및 표 2에 나타내었다.
구체적으로, 도 3은 비교예1에 따른 상부전극(ITO)과 실시예1에 따른 상부전극의 파장(Wavelength)(nm)에 따른 투과도(Transmittance)(%)를 나타낸 그래프이다.
구분 투과도(%) 면저항(Ω/sq)
비교예1에 따른 상부전극(ITO) 89.4 34.4(±0.27)
실시예1에 따른 상부전극 79.6 0.44(±0.03)
상기 도 3 및 표 2를 참고하면, 실시예 1에 따른 상부전극은 종전 투명전극(ITO)에 비하여 투과도는 상대적으로 10%로 정도 줄어들었으나, 면저항은 상대적으로 300%이상 줄어든 것을 확인할 수 있었는 바, 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 종래 투명전극에 비해 투과도는 유지하면서도 면저항을 현저하게 낮추어 전력변환효율(PCE)을 현저히 증가시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.한편, 실시예 3에 따라 태양전지를 제조하고 양면 특성을 검토하기 위해, 하부전극측의 글래스부, 또는 상부전극측의 태양전지용 투명전극에 각각 빛을 투과시킨 후의 전력변환효율(PCE)을 측정한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
Illumination
Direction		 Voc (V) Isc (mA) Fill Factor (%) PCE (%)
글래스부(하부전극측) 1.00 (±0.010) 1.86 (±0.015) 49.76 (±1.977) 10.20 (±0.590)
태양전기용 투명전극(상부전극측) 0.98 (±0.005) 1.74 (±0.001) 49.40 (±1.675) 9.32 (±0.362)
상기 표 3를 참고하면, Glass 방향으로 빛을 조사했을 시 효율(10.20%)에 대비해서, Electrode 방향으로 빛을 조사했을 시 효율(9.32%)이 91.3% 수준으로, 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 양면(Bifacial) 특성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.즉, 일 구현예에 따른 태양전지용 투명전극은 액체금속으로 구성된 복수의 격자구조가 특정 폭과 간격에 따라 형성된 주 전도부를 포함하고 그 하부에 보조 전도부를 추가적으로 포함하므로, 상부전극으로 이용하더라도 전력변환효율(PCE)이 우수할 뿐만 아니라, 양면(Bifacial) 특성을 가질정도로 평균 가시광 투과율의 우수한 장점이 있다.
1 : 태양전지용 투명전극
11 : 주 전도부, 13 : 보호부, 15 : 보조 전도부

Claims (14)

  1. 액체금속이 복수의 격자구조로 형성된 주 전도부;
    상기 복수의 격자구조를 감싸고, 엘라스토머를 포함하는 보호부; 및
    상기 주 전도부 내 격자구조의 하부에 위치하여, 전도성 물질을 포함하는 보조 전도부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 투명전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체금속은 갈륨-인듐 공융합금(eutectic gallium-indium alloy; EGaIn)인 것인 태양전지용 투명전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 격자구조 간 간격(width)은 20μm 이하인 것인 태양전지용 투명전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격자구조의 폭(pitch)는 500μm 이하인 것인 태양전지용 투명전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엘라스토머는 PDMS(Polydimethylsiloxane), 및 TPE(Thermoplastic Polyurethane Elastomer)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 태양전지용 투명전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 인듐주석산화물(Indium tin oxide; ITO), 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide layer; TCO), 탄소나노물질, 및 전도성 고분자(Conductive polymer)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 태양전지용 투명전극.
  7. 제1항에 있어서,
    페로스카이트(perovskite) 태양전지의 상부전극으로 사용되는 것인 태양전지용 투명전극.
  8. 제1항에 있어서,
    전력변환효율(Power conversion efficiency; PCE)은 10% 내지 14%인 것인 태양전지용 투명전극.
  9. 제1항에 있어서,
    평균 가시광 투과율(average visible light transmittance; AVT)는 78% 내지 82%인 것인 태양전지용 투명전극.
  10. 기판 상에 희생층을 코팅하는 단계;
    상기 희생층 상에 액체금속을 프린팅 공정을 통해 복수의 격자구조를 형성시켜 주 전도부를 형성시키는 단계;
    상기 주 전도부 상에 엘라스토머를 위치시켜 상기 복수의 격자구조를 감싸도록 보호부를 형성시키는 단계;
    상기 희생층을 제거하여 주 전도부 및 보호부로부터 기판을 분리시키는 단계; 및
    상기 주 전도부 내 격자구조 하부에 위치하도록, 전도성 물질을 포함하는 보조 전도부를 위치시키는 단계;를 포함하는 태양전지용 투명전극 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 희생층은 LOR(Lift Off Resist) 3A, 및 PMMA (Poly(Methyl Methacrylate)) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 태양전지용 투명전극 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 액체금속은 갈륨-인듐 공융합금(eutectic gallium-indium alloy; EGaIn)인 것인 태양전지용 투명전극 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 엘라스토머는 PDMS (Polydimethylsiloxane), 및 TPE (Thermoplastic Polyurethane Elastomer) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 태양전지용 투명전극 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 인듐주석산화물(Indium tin oxide; ITO), 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide layer; TCO), 탄소나노물질, 및 전도성 고분자 (Conductive polymer)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 태양전지용 투명전극 제조방법.
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