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KR100567330B1 - 이중구조의 염료감응 태양전지 - Google Patents

이중구조의 염료감응 태양전지 Download PDF

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KR100567330B1
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Abstract

염료감응 태양전지를 제공한다. 본 발명의 염료감응 태양전지는 전도성 제1 기판의 양쪽 위에 나노입자 산화물층을 형성하고 염료를 흡착시켜 제조한 반도체 전극과, 상기 전도성 제1 기판의 위 및 아래에 빛의 투과가 가능한 전도성 제2 기판에 형성한 전극층을 포함하는 대향 전극이 위치한다. 이에 따라, 본 발명의 염료감응 태양전지는 태양의 위치 변화에 따라 양방향의 태양광을 활용할 수 있어 에너지 변환 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

Description

이중구조의 염료감응 태양전지{Double structure dye-sensitized solar cell}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 특히 나노입자 산화물의 반도체 전극을 갖는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로는 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다. 그라첼 등에 의해 발표된 염료감응 태양전지는 염 료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 백금 전극, 그리고 그 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있는 가능성이 있다는 점에서 주목받아 왔다.
상기 염료감응 태양전지의 나노입자 산화물의 반도체 전극은 전도성 유리 기판 위에 나노입자 산화물의 콜로이드 용액을 코팅하여 450∼500℃ 전기로에서 가열한 후 Ru계 염료를 흡착하여 형성한다. 그런데, 상기 전도성 유리 기판 대신에, 전도성 기판으로 전도성 금속 재질로서 Ti 혹은 Zn 금속 기판 위에 나노입자 산화물층을 구성한 종래의 염료감응 태양전지가 우수한 광전환 효율을 보여주고 있는 것으로 유럽특허 공개번호 제1095387호(명칭:reversed dye-sensitized photovolic cell, 출원인 ECN)에서 발표되었다.
그러나, 상기 발표된 종래의 염료감응 태양전지는 기존의 전도성 유리 기판을 사용하는 것에 비하여 금속 재질을 사용하여 구부림이 가능한 반면, 금속 기판을 사용한 쪽으로는 빛을 투과할 수 없어 태양의 위치 변화에 따라 한쪽 방향으로만 들어온 빛을 사용하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속 기판과 같은 빛을 투과할 수 없는 불투명한 전도성 기판 사용에 따른 단점을 해결하여 태양 위치 변화에 따라 양쪽 방향에서 빛이 투과할 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는 데 있 다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 예에 따른 염료감응 태양전지는 전도성 제1 기판의 양쪽에 형성된 나노입자 산화물층과 상기 나노입자 산화물층 상에 흡착된 염료분자를 포함하는 반도체 전극과, 상기 반도체 전극의 상하부 양쪽에 각각 대향하여 위치하고 투광성을 갖는 전도성 제2 기판과 상기 전도성 제2 기판 상에, 상기 반도체 전극쪽을 향하여 형성된 전극층을 포함하는 대향 전극과, 상기 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함한다.
상기 전도성 제1 기판은 스테인리스 스틸(stainless steel) 기판 또는 알루미늄 기판으로 구성될 수 있다. 상기 전도성 제2 기판은 유리 기판 상이나, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트 또는 폴리에테르설폰으로 이루어진 고분자 기판 상에 ITO 혹은 F 도핑된 이산화주석(FTO)과 같은 전도성 물질을 도포한 기판일 수 있다. 상기 나노입자 산화물층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)층일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 예에 의한 염료감응 태양전지는 구부림이 가능한 금속으로 이루어진 전도성 제1 기판, 상기 전도성 제1 기판의 양쪽에 형성된 전도성 박막, 상기 전도성 박막 상에 형성된 나노입자 산화물층, 및 상기 나노입자 산화물층 상에 흡착된 염료분자를 포함하는 반도체 전극과, 상기 반도체 전극의 상하부 양쪽에 각각 대향하여 위치하고 투광성을 갖는 전도성 제2 기판과 상기 전도성 제2 기 판 상에, 상기 반도체 전극쪽을 향하여 형성된 전극층을 포함하는 대향 전극과, 상기 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함한다.
상기 전도성 박막은 ITO(indium tin oxide) 또는 F 도핑된 이산화주석(FTO)(SnO2 : F-doped)으로 이루어질 수 있다. 상기 전도성 제1 기판과 상기 전도성 박막 사이에 절연 물질이나 반도체 물질의 박막이 더 형성되어 있을 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 염료감응 태양전지는 이중 구조를 채용하여 태양 고도 변화에 따라 에너지 변환 효율이 기존의 한쪽 빛만 사용한 경우에 비하여 우수하다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 본 발명의 염료감응 태양전지는 반도체 전극(10)과, 상기 반도체 전극(10)의 양측 상하부에 위치하는 대향 전극(30)과, 상기 반도체 전극(10)과 대향 전극(30) 사이에 개재된 전해질 용액(20)을 포함하는 이중 구조이다. 그리고, 본 발명의 염료감응 태양전지는 상기 반도체 전극(10)의 상부에 위치하는 대향 전극(30)을 통하여 양방향으로 태양광이 입사하여 태양 고도 변화에 따라 에너지 변환 효율이 우수한 구조이다.
보다 상세하게, 상기 반도체 전극(10)은 전도성 제1 기판(11)의 양쪽에 형성된 나노입자 산화물층(13)과 상기 나노입자 산화물층(13) 상에 흡착된 염료분자(나노입자 산화물층에 점으로 표시)를 포함한다. 상기 전도성 제1 기판(11)은 스테인리스 스틸(stainless steel) 기판 또는 알루미늄 기판으로 구성되어 구부림이 가능하다. 특히, 상기 전도성 제1 기판(11)은 스테인레스 스틸로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 나노 입자 산화물층(13)은 5∼15㎛ 두께로 구성한다. 상기 나노입자 산화물층(13)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)층일 수 있다. 상기 나노입자 산화물층(13)에는 염료 분자, 예컨대 Ru 착체(錯體)로 이루어지는 염료분자가 화학적으로 흡착되어 있다.
상기 대향 전극(30)은 상기 반도체 전극(10)의 상하부 양쪽에 각각 대향하여 위치하고 투광성을 갖는 전도성 제2 기판(31)과 상기 전도성 제2 기판(31) 상에, 상기 반도체 전극(10)쪽을 향하여 형성된 전극층(33)을 포함한다.
상기 전도성 제2 기판(32)은 유리 기판 상이나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(줄여서 PET, 다른 말로 폴리테레프탈산에틸렌), 폴리카보네이트(다른 말로 폴리탄산에스테르), 폴리이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 또는 폴리에테르설폰(PES)과 같은 투명한 고분자 기판 상에 ITO 또는 F 도핑된 이산화주석(FTO)과 같은 투명 전도성 물질을 도포한 기판으로 구성한다.
상기 전극층(33)은 백금층으로 구성한다. 상기 전극층(33)은 상기 나노입자 산화물층(13)과 대향하게 위치한다. 상기 전극층(33)을 백금층은 상기 열거한 종류의 투명 전도성 제2 기판(31)을 준비하여 그 위에 5mM 헥사클로로플라티늄산(H2PtCl6·xH2O) 수용액을 분산하고 건조하여 백금 이온을 입힌 다음, 백금 이온이 입혀진 기판을 60mM 나트륨보로하이드레이트(NaBH4) 수용액 처리하여 백금 이온을 백금으로 환원시키고, 증류수로 세척한 후 건조시켜 형성할 수 있다. 상기 전도성 제2 기판(31)으로 유리를 사용하는 경우는 5mM 헥사클로로플라티늄산(H2PtCl6·xH2O) 수용액을 분산하고 450℃ 전기로에서 가열하여 형성한다.
상기 반도체 전극(10)과 대향 전극(30) 사이에는 전해질 용액(20)이 개재된다. 상기 전해질 용액(20)은 새어나오지 않도록 surlyn 1702(Du Pont(듀퐁)사제의 상품명))과 같은 열가소성 고분자 재료(21)로 밀봉된다. 상기 전해질 용액(20)은 요오드계 산화-환원 액체 전해질, 예를 들어 0.8M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide)와 40mM의 I2(Iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액을 이용한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으 로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 2에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다. 본 발명의 제2 실시예에 의한 염료감응 태양전지는 제1 실시예와 비교하여 반도체 전극의 구성이 다른 것을 제외하고는 동일하다.
본 발명의 제2 실시예의 반도체 전극(10)은 전도성 제1 기판(11)의 양쪽에 형성된 전도성 박막(17)을 포함한다. 상기 전도성 박막(17)은 ITO(indium tin oxide) 또는 F 도핑된 이산화주석(FTO)(SnO2 : F-doped)으로 이루어진다. 더하여, 본 발명의 제2 실시예의 반도체 전극(10)은 상기 전도성 제1 기판(11)과 상기 전도성 박막(17) 사이에 절연 물질이나 반도체 물질의 박막(15)이 더 형성되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제2 실시예의 반도체 전극(10)은 전도성 제1 기판(11), 상기 전도성 제1 기판의 양쪽에 형성된 전도성 박막(17), 상기 전도성 박막 상에 형성된 나노입자 산화물층(13), 및 상기 나노입자 산화물층(13) 상에 흡착된 염료분자를 포함할 수 있다.
또는, 본 발명의 제2 실시예의 반도체 전극(10)은 전도성 제1 기판(11), 상기 전도성 기판의 양쪽에 형성된 절연 물질이나 반도체 물질의 박막(15), 상기 박막 상에 형성된 전도성 박막(17), 상기 전도성 박막 상에 형성된 나노입자 산화물층(13), 및 상기 나노입자 산화물층(13) 상에 흡착된 염료분자를 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 작동 방법을 설명한다. 구 체적으로, 대향 전극(30)의 투명한 전도성 제2 기판(31)을 투과한 빛은 전극층(33, 백금층)을 통과하여 나노입자 산화물층(13)에 흡착된 염료분자가 태양 빛을 흡수하면, 염료분자는 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 이루며 여기상태의 전자는 나노입자 산화물층(13)의 전도대로 주입된다.
상기 나노입자 산화물층(13)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 나노입자 산화물층(13)에 접하고 있는 전도성 제1 기판(11)에 전달되고 외부전선(미도시)을 통하여 대향 전극(30)으로 이동된다. 상기 전자 전이의 결과로 산화된 염료분자는 전해질 용액(20) 내의 요오드 이온의 산화(3I--> I3 -+2e -)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 대향 전극(30)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동 과정이 완성된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 염료감응 태양전지는 전도성 제1 기판의 양쪽 면을 나노입자 산화물층을 형성하고, 투광성을 갖는 전도성 제2 기판에 전극층을 형성한다. 이에 따라, 태양의 위치 변화에 따라 양 방향의 빛을 이용하여 기존의 태양전지에 비하여 광전환 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 전도성 제1 기판과 전도성 제2 기판을 구부림이 가능한 기판을 사용하면 구부림이 가능한 태양전지를 구성할 수도 있다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 양면 구조로 구성하여 금속으로 이루어진 전 도성 제1 기판의 양면을 대향전극으로 밀폐하여 대기중의 수분에 의한 전도성 제1 기판의 산화를 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 염료감응 태양전지는 장기 수명에도 매우 유리할 수 있어 금속을 사용한 염료감응 태양전지의 실용화를 가능하게 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 전도성 제1 기판의 양쪽에 형성된 나노입자 산화물층과 상기 나노입자 산화물층 상에 흡착된 염료분자를 포함하는 반도체 전극;
    상기 반도체 전극의 상하부 양쪽에 각각 대향하여 위치하고 투광성을 갖는 전도성 제2 기판과 상기 전도성 제2 기판 상에, 상기 반도체 전극쪽을 향하여 형성된 전극층을 포함하는 대향 전극; 및
    상기 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 제1 기판은 스테인리스 스틸(stainless steel) 기판 또는 알루미늄 기판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전도성 제2 기판은 유리 기판 상이나, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트 또는 폴리에테르설폰으로 이루어진 고분자 기판 상에 ITO 혹은 F 도핑된 이산화주석(FTO)과 같은 전도성 물질을 도포한 기판인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노입자 산화물층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)층인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 구부림이 가능한 금속으로 이루어진 전도성 제1 기판, 상기 전도성 제1 기판의 양쪽에 형성된 전도성 박막, 상기 전도성 박막 상에 형성된 나노입자 산화물층, 및 상기 나노입자 산화물층 상에 흡착된 염료분자를 포함하는 반도체 전극;
    상기 반도체 전극의 상하부 양쪽에 각각 대향하여 위치하고 투광성을 갖는 전도성 제2 기판과 상기 전도성 제2 기판 상에, 상기 반도체 전극쪽을 향하여 형성된 전극층을 포함하는 대향 전극; 및
    상기 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전도성 박막은 ITO(indium tin oxide) 또는 F 도핑된 이산화주석(FTO)(SnO2 : F-doped)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 전도성 제1 기판과 상기 전도성 박막 사이에 절연 물 질이나 반도체 물질의 박막이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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