KR101032791B1 - 전기방사된 고분자 나노섬유와 분사된 금속나노입자로 이루어진 유무기 하이브리드 복합체를 포함하는 광전극과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 - Google Patents
전기방사된 고분자 나노섬유와 분사된 금속나노입자로 이루어진 유무기 하이브리드 복합체를 포함하는 광전극과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 염료감응 태양전지용 나노입자 금속산화물-고분자 복합체를 포함하는 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 상기 광전극의 제조방법은 저온에서 전기방사법과 스프레이법을 동시에 적용하여 나노입자 금속산화물-고분자 나노섬유의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 나노입자층과 기판과의 접착력을 증대시키고, 나노입자층에 적절한 기공을 형성시킬 수 있으며, 특히 플라스틱 기판과 같은 유연기판에 적용시 벤딩 특성이 우수하고 내구성을 가지는 플렉서블 염료감응 태양전지에 적용하기에 효과적이다.
태양전지, 염료감응, 고분자, 금속나노입자산화물, 플렉서블, 유연기판, 복합전극, 컴포짓, 전기방사, 스프레이, 분사법, 벤딩
Description
본 발명은 염료감응 태양전지용 광전극과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기방사되는 고분자 용액 및 동시에 나노입자 금속산화물 콜로이드 용액을 스프레이법을 이용하여 기판에 분사함으로써, 기계적 강도를 가지고, 구부러질 수 있는 유연성이 우수한 염료감응 태양전지용 나노입자 금속산화물-고분자의 복합체를 포함하는 광전극과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로, 염료감응 태양전지의 광전극은 나노 입자를 갖는 금속산화물을 이용하여 유리 기판 상에 형성된다. 즉, 기존 광전극은 티타늄산화물 등을 이용한 나노입자의 콜로이드 용액을 수열 반응을 통해 합성한 후, 콜로이드 용액에 적당량의 고분자를 혼합하여 점도가 높은 금속 산화물 페이스트를 만든다. 이후, 상기 페이스트를 전도성 기판위에 닥터 블레이드법을 이용하여 코팅하고, 약 500 ℃의 고온에서 열처리하여 나노 입자를 갖는 티타늄산화물 전극을 형성한다. 이때, 고온에서 열처리 하는 이유는 고분자를 열분해시켜 전해질이 통과할 수 있는 기공을 형성하고, 나노 입자와 태양전지 기판과의 접착력 증대 및 나노 입자간 상호 연결 (necking)을 형성시켜 효율적인 전자 전달을 유도하기 위함이다. 그런데, 고온 열처리에 의해 형성된 통상의 전극구조에서는 바인더로 사용된 고분자가 전혀 존재하지 않는다는 특징이 있다.
하지만, 상기 고온 열처리에 의한 소성방법은 플라스틱 기판을 사용하는 경우는 적용이 어렵다. 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌나프탈레이트 (PEN), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리카보네이트, 폴리이미드와 같은 범용 플라스틱의 내열 온도는 거의 150 ℃ 이하이기 때문이다. 그래서 종래에는 고온 소성법 대신 저온에서 플라스틱 전극 위에 나노입자 산화물 전극을 형성시키는 각종 방법이 연구되고 있다. 예를 들면, 나노입자층에 프레스법을 이용하여 압착하고, 제거 가능한 기판을 이용하여 나노산화물을 플라스틱 기판위에 전사(Transfer) 하는 방법, 무 바인더 코팅법을 이용하는 방법, 전기 영동법을 이용하는 방법 등이 있다. 이런 방법들로 이루어진 전극의 최종 구조는 고분자 지지체 없이 TiO2와 같은 나노입자 산화물 구조체 만으로 이루어져 있다. 따라서 상기 방법에 따른 전극을 플라스틱 기판에 적용할 수는 있으나, 필름의 구부림에 의한 나노입자 금속산화물 반도체의 크랙발생과 기판과의 밀착성의 감소로 유연기판에서 제작된 셀에서의 내구력을 보장할 수 없다. 즉, 상기 종래방법에 따른 광전극에 대하여 벤딩 테스트를 실행하면, 도 1에 나타낸 바와 같이 약간의 구부러짐에도 나노입자 금속 산화물에 크랙이나 기판과의 들뜸에 의해 그 성능이 급격히 저하하고, 나노입자 금속 산화물 반도체에 크랙이 진행되기 때문에 접고 구부러지는 특성을 가지는, 플렉서블 태양전지로의 실질적 응용이 어렵다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명의 목적은 기판에 고분자 및 금속산화물 함유 용액을 코팅시 동시 분사법을 이용하고, 상기 고분자 용액은 전기방사시키고, 150 ℃ 이하의 저온에서 열처리하여 섬유강화복합체 (fiber reinforced composite)와 같이 나노입자산화물-고분자 복합체를 형성시킴으로써, 기계적 강도와 적절한 기공을 가지며 유연성을 부여할 수 있는 염료감응 태양전지용 광전극 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 광전극을 이용하여 기계적 강도 및 유연성을 유지할 수 있는 염료 감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 전도성 기판 위에, 고분자 용액의 전기방사와 동시에 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액을 스프레이 분사하고,
(b) 상기에서 얻어진 기판을 25 내지 150℃의 온도에서 열처리하여 나노입자 금속산화물-고분자나노섬유의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층을 형성하는 단계
를 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 전도성 기판, 및 상기 전도성 기판의 일면에 상기 방법으로 제조되며, 전도성 기판의 일면에 형성된 망상구조의 나노입자 금속산화물-고분자나노섬유의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층을 포함하는 광전극으로서, 상기 복합체는 구형, 막대형, 링, 판상 또는 서로 연결된 연속체(bicontinuous structure)로 이루어진 금속산화물과 고분자나노섬유를 포함하는 하이브리드 구조인, 염료감응 태양전지용 광전극을 제공한다.
이때, 상기 광전극은 직경이 7mm 인 벤딩테스트기를 이용한 1000회 벤딩 테스트 후의 초기효율 대비 광전변환 효율 감소율(%)이 15% 이하일 수 있다.
또한 본 발명은 상기 광전극; 상기 광전극에 서로 마주보며 대향 배치된 전도성 투명기판을 포함하는 상대전극; 및 상기 광전극과 상대전극 사이의 공간에 충진하는 전해질을 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 전도성 기판에 스프레이법과 전기방사법을 동시에 적용하여 나노입자 금속 산화물과 고분자 나노섬유의 유무기 하이브리드 복합체를 포함하는 금속 산화물층을 형성하는 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법과 이로부터 제조된 광전극에 관한 것이다.
본 발명의 염료감응 태양전지용 광전극에 있어서, 상기 나노입자 금속산화물-고분자 나노섬유의 복합체를 포함하는 금속산화물층은 최종적으로 고분자가 완전히 제거되지 않고, 전해질에 용해되지 않는 다공성 막을 형성하여 금속산화물 광전극 구조체를 둘러쌓은 태양전지의 복합전극 구조를 제공할 수 있다.
또한 일반적으로 종래 전극의 경우 고온에서 열처리를 하므로 고분자는 완전히 제거되어 최종 전극에는 존재하지 않는다. 따라서, 외부에서 휨(bending)과 같은 외력이 주어졌을 때, 고분자가 존재하지 않는 통상의 전극구조에서는 도 1에서 나타낸 바와 같이 금속 나노산화물에 힘이 집중되어 크랙이 발생되거나 전도성 기판과의 들뜸에 의해서 태양전지로서의 성능의 급격한 저하가 발생한다.
반면, 본 발명에서 제공하는 광전극은 다공성 나노입자 금속산화물층 형성시 전기방사법과 스프레이법을 동시에 적용하여, 저온공정이 가능하고 기계적 물성과 벤딩 특성이 우수하면서도 고효율을 나타낼 수 있게 한다.
또한 본 발명의 광전극은 고온에서 열처리를 하지 않으므로 고분자는 제거되지 않고 나노섬유 형태로 그대로 광전극층에 남아 있게 된다. 본 발명의 방법을 이용하면 휨(bending)에 대한 내구성을 가지는 고효율의 전극 구조를 제조할 수 있는 특징이 있다. 또한 본 발명에 따른 복합 광전극 구조는 나노입자와 기판과의 접착력을 강화시켜주고, 나노입자에 발달되는 크랙의 전파나 힘 집중을 줄여주는 역할을 한다. 따라서 본 발명은 기판과의 접착력이 우수하고 휘어지는 상태에서도 유연성이 유지되어 일반적인 염료감응 태양전지 뿐 아니라 플렉서블 염료감응 태양전지에도 응용 가능하다.
즉, 본 발명은 플라스틱 기판과 같은 유연기판에 적용하여 벤딩 테스트(Bending Test)를 시행하였을 때 금속산화물로만 이루어진 광전극 구조를 가지는 플라스틱 태양전지와 비교하여 월등한 성능 안정성을 보인다. 다시 말해, 나노산화물 층에 존재하는 고분자나노섬유가 금속산화물 나노입자에 집중되는 외력을 흡 수 및 분산시켜, 크랙의 전파를 막고 전도성 기판과 전극과의 들뜸을 막을 수 있는 전극 구조를 형성하는 것이다. 이러한 고분자 나노섬유의 역할은 섬유강화 복합재료에서 섬유보강재의 역할과 동일하다. 따라서, 이러한 특성을 이용하여 본 발명은 내구성을 가지는 휘어질 수 있는 플렉서블 염료감응 태양전지에 적용할 수 있다.
이러한 본 발명의 염료감응 태양전지용 광전극은 전도성 기판, 및 상기 전도성 기판의 일면에 형성된 망상구조의 나노입자 금속산화물-고분자 나노섬유 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층을 포함한다.
본 발명에 있어서, 나노입자 금속산화물-고분자의 복합체는, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 구형의 나노입자 금속산화물과 고분자 나노섬유가 복합구조를 형성하는 것을 의미한다. 본 발명의 따른 복합체의 경우 외부에서 가해진 휨이나 압력과 같은 외력과 충격을 광전극 사이에 존재하는 고분자가 흡수함으로써 나노산화물에 집중되는 외력을 분산하여 그 성능을 유지시킬 수 있으며 나노산화물과 기판과의 접착력을 향상시켜준다.
본 발명의 광전극의 제조방법은 (a) 전도성 기판 위에, 고분자 용액의 전기방사와 동시에 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액을 스프레이 분사하고, (b) 상기에서 얻어진 기판을 25 내지 150℃의 온도에서 열처리하여 나노입자 금속산화물-고분자나노섬유의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층을 형성하는 단계를 포함한다.
도 3a에서는 전기방사법과 스프레이법을 동시에 이용한 광전극 제조 공정을 개략적으로 도시하였고, 도 3b는 상기 도 3a의 과정을 통해 형성된 고분자나노섬유-금속산화물나노입자 유무기 하이브리드 복합체의 개념도를 보여주고 있다.
즉, 본 발명은 전기방사되는 고분자 용액과 금속나노입자 산화물을 함유하는 콜로이드 용액을 각각 별도로 준비하고, 전기방사되는 고분자용액을 전도성 기판위에 스프레이법으로 분사하여 나노섬유를 형성시킴과 동시에, 금속나노입자 산화물을 함유하는 콜로이드 용액도 스프레이법을 이용하여 전도성 기판위에 분사하여, 나노입자 금속산화물-고분자나노섬유의 복합체를 형성시킨다. 이 과정에서 전기방사 고분자 용액과 스프레이 용액에 함유된 대부분의 용매만이 증발되어 제거되며, 추가적으로 150 ℃ 이하의 온도에서 열처리하여 용매를 완벽하게 제거할 수 있다. 이때, 상기 열처리는 25 ℃ 내지 150 ℃의 온도사이에서 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
상기 복합체를 형성시 두 용액을 동시에 스프레이 분사하지 않고, 순차적인 방법으로 분사를 진행할 경우 고분자 나노섬유가 나노금속산화물 사이에 고루 분산이 안 되고 고분자 나노섬유 층으로 서로 뭉치게 된다. 이런 구조에서는 고분자 층이 인슐레이터로 작용되어 전자와 이온 전달을 방해하는 문제가 발생한다. 이때 고분자 용액 및 금속산화물 콜로이드 용액의 분사시 사용하는 분사장치의 종류는 특별히 한정되지는 않는다.
또한 상기 고분자 용액에 전기방사를 수행하지 않으면 통상의 전극구조(도1)가 되어 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 고분자 용액은 전압이 인가되는 전기방사장치가 연결 설치된 분사장치의 노즐을 통해 전도성 기판 위 에 분사되며, 상기 전압은 전기방사 안정성(stability) 을 고려하여 5 내지 30 kV의 범위로 인가될 수 있다. 또한 고분자 용액의 휘발성을 고려하여 상기 기판과 분사장치의 노즐과의 거리는 5 내지 20 cm를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 고분자 용액의 토출속도는 10 내지 300 ul/분인 것이 바람직하다. 전기방사장치는 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니고, 고분자 용액이 주입된 분사장치에 전기를 방사할 수 있는 것이라면 모두 사용가능하다.
또한 상기 고분자 용액은 중량평균분자량 5000 내지 5,000,000 g/mol의 고분자를 포함하는 5 내지 30 중량%의 고분자 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 전기방사되는 고분자 용액은 고분자 나노섬유를 용매에 용해시켜 전기방사에 적합한 점도를 형성하는 5 내지 30 중량%의 고분자 용액으로 제조할 수 있다.
또한 본 발명에서 사용되는 고분자 나노섬유는 종래 일반적인 바인더 개념과 다르게 최종적으로 전극에 잔류하는 것을 특징으로 한다. 이러한 고분자 물질로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF, Polyvinylidenefluoride), 폴리비닐아세테이트(PVAc, Polyvinylacetate), 폴리아크릴로니트릴(PAN, Polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(PVP, Polyvinylpyrrolidone), 폴리우레탄 (Polyurethane), 폴리에틸렌옥사이드(PEO,Polyethylenoxide), 폴리프로필렌옥사이드 (Polypropyleneoxide), 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethyleneglycol), 키토산(Chitosan), 키틴 (Chitin), 폴리아크릴아마이드 (Polyacrylamide), 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 (Polyacrylic Acid), 에틸셀룰로오스 (Ethyl Cellulose), 폴리하이드록시에틸메타크릴산 (PHEMA, Polyhydroxyethylmethacrylicacid), 폴리메틸메타크릴레이 트(Polymethylmethacrylate), 셀룰로오스 (Cellulose), 폴리사카라이드(Polysaccharide), 폴리아마이드 (Polyamide), 폴리카보네이트 (Polycarbonate), 폴리에틸렌 (Polyethylene), 폴리프로필렌 (Polypropylene), 폴리스티렌 (Polystyrene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리디메틸실록산 (PDMS)을 포함하는 실리콘 함유 고분자, 이소프렌, 부타디엔계 고무, 및 그 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자 화합물을 포함할 수 있다.
전기 방사를 위한 고분자 용액의 제조를 위한 용매로는 특별히 한정되지 않게 사용할 수 있으며, 예를 들어 디메틸포름아미드, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 에탄올, 물, 초산, 포름산, 벤젠, 부탄올, 부틸 아세테이트, 카본테트라클로라이드, 클로로포름, 사이클로헥산, 디클로로에탄, 디클로로메탄, 디메틸 술폭사이드, 디옥산, 디에틸에테르, 헵탄, 헥산, 메탄올, 메틸부틸에테르, 메틸에틸케톤, 펜탄, 프로판올, 이소프로판올, 트리클로로에틸렌, 터피네올 또는 이들의 혼합용매에 고분자를 5 내지 30 중량%의 양으로 용해시켜서 사용할 수 있다.
또한 상기 금속산화물 콜로이드 용액을 동시에 분사하는 경우에도, 금속 산화물 분산용매의 휘발성을 고려하여 전도성 기판과 금속산화물 콜로이드 용액의 분사장치의 노즐과의 거리를 5 내지 20 cm로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 금속산화물 콜로이드 용액의 토출속도는 10 내지 300 ul/분인 것이 바람직하다.
상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액은 용매 100 중량부에 대해 5 내지 20 중량부의 나노입자 금속산화물을 포함할 수 있다. 또한 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 1-400nm의 금속산화물을 포함할 수 있다. 즉, 상기 나노입자 금속산화물은 수열합성으로 제조되었거나, 상용의 나노입자 금속산화물을 사용할 수 있다. 상기 금속산화물 나노입자는 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, 및 Ga로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물 또는 이들의 복합 산화물이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 나노입자를 갖는 금속산화물은 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2) 및 텅스텐 산화물(WO3)로 이루어진 군에서 선택하여 사용될 수 있다. 상기 금속산화물의 나노입자 크기는 평균입경 500 nm 이하인 것이 바람직하고, 바람직하게는 1 내지 400 nm일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1 nm 내지 100 nm인 것이 좋다. 또한, 상기 나노입자 금속산화물은 막대, 또는 링의 형태를 가질 수 있다.
상기 금속나노입자 산화물을 함유하는 콜로이드 용액의 제조를 위해 사용하는 용매 또한 상기 고분자 용액 제조시 사용하는 것과 동일한 것을 사용할 수 있으며, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 안정적인 금속산화물 입자층을 형성하기 위해, (b)단계 이후에, 나노입자 금속산화물-고분자의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층 위에 블록킹층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명은 염료 흡착량을 증대시키기 위하여 고분자나노섬유-금속나노산화물 복합층 상부에 바인더가 존재하지 않는 금속산화물 층을 형성시켜서 광전특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 경우 상기 블록킹층은 바인더프리 금속산화물 나노입자를 포함한다. 이때 사용되는 금속산화물 나노입자는 상기 나노입자 금속산화물 콜로이드 용액 제조시 사용하 는 것과 동일한 것을 사용할 수 있다. 또한 본 발명은 통상적인 방법으로 바인더 및 용매를 이용하여 금속산화물 페이스트를 제조한 후, 상기 복합체층 위에 코팅하고 열처리하여 바인더를 제거함으로써 바인더프리 금속산화물 나노입자를 포함하는 블록킹층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 금속산화물 간 상호 접촉성과 기판과의 밀착성을 증대시키기 위해서 저온 소성 후 제조된 전극에 기계적 압력을 가하는 방법이 더 포함될 수 있는 특징이 있다. 상기 기계적 압력은 0.1 MPa 내지 500 MPa의 범위로 전극에 가하는 것이 바람직하다. 본 발명은 형성된 나노입자 금속산화물-고분자의 복합체를 포함하는 광전극에 압력을 가함으로써, 금속 산화물간의 상호연결성을 더욱 증대시킬 수 있으며 이에 따라 광전변환효율을 크게 향상된다.
또한 본 발명의 광전극의 제조방법은 다공성 나노입자 금속산화물층을 갖는 기판을 감광성 염료 및 가시광을 흡수하는 물질을 포함하는 용액에 침지하여 염료를 흡착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 염료의 흡착단계는 통상의 방법을 사용할 수 있으며, 그 방법이 특별히 한정되지 않는다.
상기 투명 전도성 기판은 그라운드의 조건으로 하여 상기 두 용액을 분사하며, 그 종류는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적인 것에서 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC)로 이루어진 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판; 유리 기판; 또는 스테인레스 스틸을 포함하는 금속박막을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상 기 전도성 기판의 어느 일면에는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 및 SnO2-Sb2O3로 이루어진 군에서 선택된 전도성 필름이 코팅될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같은 방법으로 제조된 본 발명의 광전극은 전도성 기판, 및 상기 전도성 기판의 일면에 상기 방법으로 제조되며, 전도성 기판의 일면에 형성된 망상구조의 나노입자 금속산화물 및 고분자나노섬유의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층을 포함한다. 또한 상기 복합체는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 구조를 포함할 수 있으며, 바람직하게 구형, 막대형, 링, 판상 또는 서로 연결된 연속체(bicontinuous structure)로 이루어진 금속산화물과 고분자나노섬유를 포함하는 하이브리드 구조일 수 있다.
또한 본 발명의 광전극은 직경이 7mm 인 벤딩테스트기를 이용한 500회 벤딩 테스트(bending test) 후의 초기효율 대비 광전변환 효율 감소율(%)이 10% 이하일 수 있다. 또한, 본 발명의 광전극은 직경이 7mm 인 벤딩테스트기를 이용한 1000회 벤딩 테스트 후의 초기효율 대비 광전변환 효율 감소율 (%)이 15% 이하일 수 있다. 이때, 상기 벤딩 특성은 낮을수록 우수한데, 본 발명의 경우 매우 낮은 특성을 나타내므로 플렉서블 태양전지에 적용하기에 효과적이다. 그러므로 본 발명에 따른 구조에서는 외부에서 가해진 휨이나 압력과 같은 외력을 광전극 사이에 존재하는 기판 근처에 존재하는 고분자나노섬유가 그 충격을 흡수함으로써 나노산화물에 집중되는 외력을 분산하여 그 성능을 유지시킬 수 있으며 나노입자와 기판과의 접착 성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 광전극의 제조방법의 바람직한 일실시예에 대하여 도면을 참고하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명은 금속 산화물 나노입자 콜로이드 용액과 전기방사용 고분자 용액을 각각 제조한다. 보다 상세하게는 금속산화물 나노입자를 용매 100 중량부에 대해 5 내지 20 중량%로 에탄올과 같은 분산용매에 혼합하고 비드밀 분산기를 이용하여 분산하여 금속산화물 콜로이드 용액을 제조한다. 전기방사용액은 폴리비닐리덴플로라이드와 같은 고분자를 디메틸포름아미드, 아세톤 혹은 이들의 혼합용매에 용해시켜 전기방사에 적합한 점도를 형성하는 5 내지 25 중량%의 고분자 용액을 제조한다. 고분자의 중량평균분자량(Mw)은 5,000 내지 5,000,000 g/mol인 고분자를 사용한다.
다음 과정으로 전기방사장치를 이용하여 투명전도성 기판 위에 전기방사된 고분자 나노섬유를 얻는다. 이때, 도 3a와 같은 전기방사장치에 5 내지 30 KV의 전압을 인가하고 기판과 방사장치의 노즐과의 거리가 5 내지 20 cm를 유지하고, 용액 토출속도를 10 내지 50 ul/분으로 조절하여 5초 내지 10분 동안 방사한다. 전기방사를 하는 동안, 동시에 스프레이 장치 (분무기)를 이용하여 금속 산화물 나노입자 콜로이드 용액을 투명 전도성 기판 위에 분사한다. 기판과 스프레이 노즐과의 거리는 5 내지 20 cm를 유지하고, 용액 토출속도는 10 내지 50 ul/분으로 조절 하여 5초 내지 10분 동안 분사한다. 이런 과정을 통해 얻어진 금속산화물 나노입자-고분자 나노섬유 복합체는 공기 중 혹은 진공 조건에서 150 ℃ 이하의 온도에서 30분 이상 건조하여 용매를 완전히 제거한다. 이때 금속산화물간 상호 연결 (interconnection)을 증대시키기 위해, 본 발명은 프레스로 0.1 MPa 내지 500 MPa의 기계적 가압을 하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 안정적인 다공성 나노입자 금속산화물-고분자나노섬유 복합체를 갖는 층을 형성하기 위해, 상기 네트워크 구조의 복합체를 갖는 다공성 나노입자 금속산화물층 형성 이전에 기판위에 블록킹층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 블록킹층은 상기 나노입자 금속산화물을 이용하여 통상의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 광전극의 투명전도성 기판 위에 형성된 금속산화물 나노 입자층에 광전하의 생성을 위하여, 상기 블로킹층 위에 형성된 나노입자 금속산화물에 염료 물질을 흡착시켜 광흡수층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 염료물질은 Ru 복합체 또는 유기물질을 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 염료의 흡착 방법은, 일반적인 염료 감응 태양전지에서 사용되는 방법이 모두 이용될 수 있고, 예를 들면 염료를 포함하는 분산액에 나노입자 금속산화물이 형성된 광전극을 침지시킨 후, 0~50 ℃ 정도의 온도에서 염료를 흡착시키는 방법을 이용할 수 있다. 상기 염료를 분산시키는 용매는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 아세토나이트릴, 디클로로메탄, 또는 알코올계 용매 등을 사용할 수 있다. 상기 염료를 흡착시킨 후에는, 용매 세척 등의 방법으로 흡착되지 않은 염료를 세척하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 광전극의 두께는 특별히 한정되지는 않으나, 3 내지 30 미크론일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기에서 제조된 염료가 흡착된 광전극을 이용하여 염료 감응 태양전지 단위셀을 제공한다.
즉, 본 발명은 전도성 기판의 일면에 150 ℃ 이하의 온도에서 열처리하고 전기방사로 형성된 고분자나노섬유와 스프레이로 형성된 다공성 나노입자 금속산화물을 포함하는 유무기 나노복합체로 구성된 광전극과 상대전극, 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 산화환원종 역할을 하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
도 5는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 단위 셀의 단면도를 간략히 나타낸 것이다. 즉, 도 5에서와 같이, 본 발명의 염료감응 태양전지는, 투명 전도성 기판(11) 위에 고분자 나노섬유층(13)과 염료(14)가 흡착된 나노입자 금속산화물(12)을 포함하는 나노입자 금속산화물-고분자의 복합체를 포함하는 광전극(10); 상기 광전극에 대향 배치되며 투명전도성 기판(11) 위에 형성된 백금층(15)을 포함하는 상대전극(20), 및 상기 광전극과 상대전극 사이를 충진하는 전해질(16)을 포함하는 구조일 수 있다. 또한, 도 5에서 도면부호 17은 접착제이고, 도면 부호 18은 전도성 양면 테잎이다.
상기와 같은 구성을 갖는 염료감응 태양전지의 제조방법은 셀 형성에 필요한 상대전극을 제조한 후, 제조된 두 전극이 서로 마주보도록 대향 배치하고, 접합시 킨 후, 전해질을 충진하는 단계를 거쳐 염료감응 태양전지를 완성한다.
이때, 상대전극은 투명전도성기판 위에 백금 용액을 도포한 후, 약 400 ℃ 정도의 고온에서 열처리하여 백금층을 갖도록 하여 제조할 수 있다. 상기 투명 전도성 기판의 종류는 특별히 한정되지 않고 예를 들면 상기 광전극의 제조에 사용된 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
상기 전해질은 광흡수층 사이의 공간에서 다공질막인 나노입자 금속산화물층의 내부에 균일하게 분산되어 있다. 상기 전해질은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적인 구성을 포함할 수 있으며, 그 제조방법 또한 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로 특별히 제한하지 않는다. 바람직하게, 상기 전해질은 요오드를 함유하는 액체 전해질일 수 있다. 또한 상기 전해질은 폴리비닐리덴플로라이드-co-폴리헥사플루오르프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리알킬아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 함유할 수 있다. 또한, 상기 전해질은 실리카 및 TiO2 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 무기입자를 함유하는 고분자 겔 전해질일 수 있다.
예를 들면, 상기 전해질은 iodide/triodide 쌍으로서 산화-환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 광흡수층의 염료에 전달하는 역할을 할 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 액상 전해질 뿐만 아니라 고체, 준고체형, 이온성 액체상으로 이루어진 전해질이 사용될 수 있다.
본 발명에서 두 전극 접합 시 계면간 전자전달을 용이하게 하기 위해 통상의 접착용 수지가 접착물질로 사용될 수 있으며, 접착물질은 기 사용된 금속산화물 전구체나 나노입자 등을 포함한다.
본 발명은 금속산화물 나노입자층 형성시 스프레이법과 전기방사법을 동시에 적용하고 저온에서의 열처리를 실시함으로써, 금속나노 산화물-고분자나노섬유의 복합체를 포함하는 광전극을 제조할 수 있다. 상기 구조의 광전극은 최종적으로 고분자가 전극층에 존재하고, 전해질에 용해되지 않는 다공성막을 형성하여, 섬유강화 복합체와 유사한 구조를 가진다. 따라서, 본 발명의 광전극은 기존 무기물로만 이루어진 전극에 비해서, 휨이나 기타 외력을 받았을 때, 고분자나노섬유가 나노입자 산화물을 지지할 수 있으므로 내충격성과 휨에 대해서 내구성과 기계적 강도를 갖는 태양전지를 제조할 수 있다. 이에 따라 구부러질 수 있는 염료감응 태양전지에 응용할 수 있다. 또한 본 발명의 방법은 고온에서의 바인딩 고분자를 제거 공정을 생략할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 기재한다. 다만, 하기 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: TiO
2
-PVDF (Polyvinylidene flouride)를 이용한 나노복합체를 포함하는 전극제조 1
PVDF (제조사 Arkema, 상품명 Kynar 761, Mw=517,300) 3 g을 아세톤 10.20 g과 디메틸포름아미드 6.80 g의 혼함용매에 용해시킨 고분자 방사용액(고형분 농도 15 중량%)을 제조하고 도 3a의 전기방사 장치를 이용하여 30초간 전기방사를 하였다. FTO가 코팅된 투명전도성 기판을 음극으로 하고, 22게이지의 금속니들을 양극으로 하여 두 전극 사이에 15 kV를 인가하였다. 또한, 투명전도성 기판과 바늘 끝과의 거리는 15 cm를 유지하였다. PVDF 나노섬유와의 복합체 필름을 형성시키기 위하여 8 g 의 TiO2 (제조사 Degussa, 상품명 P25, 평균 직경 21 nm)를 에탄올 91 ml 에 분산시켜 스프레이용 금속나노입자 산화물 콜로이드 용액(고형분 농도 10 중량%)을 제조하였다. 전기방사가 진행되는 동안 기체의 피딩 속도(feeding rate)를 초당 0.1ml로 30초간 스프레이 건을 이용하여 스프레이 공정을 진행하여 금속나노 산화물-고분자 나노섬유의 복합체를 형성하였다. 이후, 실온에서 30분간 열처리하여 용매를 제거하였다.
도 6은 본 발명과의 비교를 위한 전기방사로 형성된 PVDF 나노섬유만의 주사전자 현미경 사진이며, 도 7은 전기방사와 스프레이를 동시 적용한 금속나노 산화물-고분자 나노섬유 복합체의 표면의 주사전자 현미경 사진이다. 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 경우 고분자 나노섬유가 나노입자 금속산화물로 이루어진 매트릭스 내에 골고루 박혀져 있었다.
이어서 루테늄(Ru) 계열 감광성 염료인 N719(bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato)-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid- 2,2'-bipyridine)ruthenium(II)) 0.5 mM을 포함하는 에탄올 용액에 3 시간 동안 50℃ 조건에서 침지하여 다공질 금속산화물 층의 입자표면에 감광성 염료를 흡착시켰다.
이후 광전극을 상대전극과 서로 배향 배치시켜 합착시킨 후, PMII(1-propyl-3-methylimidazolium iodide) (0.7M) 및 I2 (0.03M)을 포함하는 아세토니트릴 (acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 금속산화물-고분자나노섬유 복합구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하였다. 상대전극은 FTO가 코팅된 투명 전극 위에 H2PtCl6 용액을 스핀 코팅한 후, 400 ℃에서 30분 동안 열처리하여 제조하였다.
실시예 2: TiO
2
-PVDF (Polyvinylidene flouride)를 이용한 나노복합체를 포함하는 전극제조 2
실시예 1과 같은 방법으로 제조된 전극층 위에 바인더프리 TiO2 페이스트 층을 닥터 블레이딩 방법을 이용하여 코팅하고, 프레스로 80 MPa 의 압력을 가하여 태양전지를 제조하였다. 바인더프리 페이스트는 2 g 의 TiO2 나노입자를 에탄올 3.3 g 와 t-Butanol 8 g의 혼합용액 분산시켜 스프레이용 금속나노입자 산화물 콜로이드 용액(고형분 농도 15 중량%)을 제조하였다.
이후 제작 과정은 실시 예 1과 동일하다. 도 8은 금속나노 산화물-고분자 나노섬유 복합체의 수직구조의 주사전자 현미경 사진이다. 섬유강화 복합재료(fiber-reinforced composite)의 구조와 매우 유사하며, 고분자 나노섬유가 매트릭스를 이루고 있는 TiO2 나노입자 산화물을 지지하여 휨이나 외부로부터 충격이 가해졌을 때, 내구성과 기계적 강도를 갖는 역할을 기대할 수 있다.
실시예 3: TiO
2
-PVDF (Polyvinylidene flouride)를 이용한 나노복합체를 포함하는 전극제조 3
ITO-PET 플라스틱 기판에 금속나노산화물-고분자 나노섬유 복합체를 형성시켜 전극을 제조하였다. 이후 제작 과정은 실시예 1과 동일하다.
실험 예 1
실시 예 1에 의해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전류밀도-전압특성을 측정하였다. 태양전지에 있어서의 중요한 특성인 광전류밀도(Jsc), 개방회로(open circuit) 전압(Voc), 충진계수(FF) 및 에너지 변환효율(Eff)을 측정한 결과는 표 1에 나타내었다.
| 광전류밀도 Jsc(mA/cm2) |
개방전압 Voc(mV) |
충진계수(%) | 효율 (%) | |
| 실시 예1 | 6.17 | 783 | 69.3 | 3.35 |
실험 예 2
실시 예 2에 의해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전류밀도-전압특성을 측정하였다. 태양전지에 있어서의 중요한 특성인 광전류밀도(Jsc), 개방회로(open circuit) 전압(Voc), 충진계수(FF) 및 에너지 변환효율(Eff)을 측정한 결과는 표 2에 나타내었다.
| 광전류밀도 Jsc(mA/cm2) |
개방전압 Voc(mV) |
충진계수(%) | 효율 (%) | |
| 실시 예2 | 9.94 | 774 | 69.4 | 5.25 |
실험 예 1과 비교해 볼 때, 금속나노입자 산화물-고분자 나노섬유 복합전극층 위에 TiO2 층이 추가로 형성되어서 염료의 흡착량 증가되었다. 따라서 광전류 밀도가 향상되어 광전변환 효율이 상승되었다.
실험 예 3
실시 예 3에 의해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전류밀도-전압특성을 측정하였다. 태양전지에 있어서의 중요한 특성인 광전류밀도(Jsc), 개방회로(open circuit) 전압(Voc), 충진계수(FF) 및 에너지 변환효율(Eff)을 측정한 결과는 표 3에 나타내었다.
| 광전류밀도 Jsc(mA/cm2) |
개방전압 Voc(mV) |
충진계수(%) | 효율 (%) | |
| 실시 예3 | 7.31 | 713 | 62.5 | 3.72 |
비교 예 1
본 발명에서 제안한 광전극 구조가 외부의 휨에 대한 내구성이 있는지 일반적인 광전극 구조를 가진 경우와 비교하기 위하여, 고분자가 포함되지 않은 바인더-프리 TiO2 나노입자 광전극을 실시예 2에서 사용한 페이스트를 이용하여 분산 용액을 제조하였다. 제조된 분산용액을 ITO/PET 플라스틱 기판위에 닥터 블레이딩 방법으로 코팅하여 나노전극을 형성시킨 후 프레스로 80 MPa 의 압력으로 가압하여 태양전지를 제조하였다. 압력을 가하지 않으면 외력이 모두 TiO2 나노산화물에 집중되어서 수 차례의 벤딩(bending)으로도 나노전극이 모두 기판에서 들뜨는 현상이 발현되어 측정자체가 불가능하였다. 이후 제작과정은 실시 예 1과 동일하다.
실험 예 4
실시예 3과 같은 방법으로 제작한 금속나노입자-고분자나노섬유 복합체를 포함하는 광전극 구조와 비교 예 1의 광전극 구조에 대해, 벤딩 테스트 후 성능 변화를 비교하여 그 결과를 표 4에 나타내었다. 벤딩 테스트는 직경이 7mm 인 벤딩테스트기를 이용하여 각각 1000 번의 벤딩을 가하여 비교하였으며, 테스트 전 광전변환 효율에 비해 효율이 얼마나 감소하였는가를 측정 지표로 삼았다.
| 전극 형성 방법 | 1000회 벤딩 테스트 후 초기효율 대비 광전변환 효율 감소율 (%) |
|
| 실시예3 | 나노입자-고분자나노섬유의 복합체를 포함하는 광전극 | 14 % |
| 비교예1 | 바인더-프리 나노 광전극 | 81 % |
상기 표 4에서 알 수 있듯이 고분자가 없는 일반전극인 비교예1의 구조는 1000 회 벤딩 후 광전변환효율이 초기 대비 81 % 나 감소하였다. 반면, 본 발명의 실시예 3의 광전극 복합 구조는 효율 감소율이 14 %로 성능의 큰 저하 없이 상대적으로 우수한 기계적 유연성을 보유함을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 기재하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 해당 기술 분야의 숙련된 기술자는 상기 기재된 범위 및 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서는 본 발명을 다양하게 변경 및 수정시킬 수 있음을 인지할 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 광전극 구조에서 휨 발생시 전극구조의 변화에 대한 개념도이다.
도 2a는 본 발명에서 제안된 금속산화물 나노입자-고분자 복합전극 구조의 개념도이고, 도 2b는 상기 도 2a의 구조를 구체적으로 나타낸 개념도이다.
도 3a은 전기방사법과 스프레이법을 이용한 본 발명에 따른 광전극의 제조공정의 개략도이다.
도 3b는 형성된 고분자나노섬유-금속산화물 나노입자 유무기 하이브리드 복합체의 형태를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 단위셀의 단면도이다.
도 6는 실시예 1의 전기방사된 PVDF 나노섬유층의 주사전자 현미경사진이다.
도 7은 실시예 1의 전기방사와 스프레이를 동시 적용한 TiO2-PVDF 나노구조 복합체의 주사전자 현미경 사진이다.
도 8은 실시예 2의 전기방사와 스프레이를 동시 적용한 TiO2-PVDF 나노구조 복합체 수직구조의 주사전자 현미경 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 광전극 11: 투명전극
12: 나노입자 금속산화물층 13: 고분자 나노섬유
14: 염료 15: 백금층
15: 백금층 16: 전해질
17: 접착제 18: 전도성 양면 테잎
20: 상대전극
Claims (23)
- (a) 전도성 기판 위에, 고분자 용액의 전기방사와 동시에 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액을 스프레이 분사하고,(b) 상기 (a)의 전도성 기판 위에 고분자 용액의 전기방사와 동시에 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액을 스프레이 분사한 기판을 25 내지 150℃의 온도에서 열처리하여 나노입자 금속산화물-고분자나노섬유의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층을 형성하는 단계를 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고분자 용액은 전압이 인가되는 전기방사장치가 연결설치된 분사장치의 노즐을 통해 기판으로 분사되는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 전압은 5 내지 30 kV의 범위로 인가되는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 기판과 분사장치의 노즐과의 거리는 5 내지 20 cm를 유지하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고분자 용액의 방사속도는 10 내지 300 ul/분인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고분자 용액은 중량평균분자량 5000 내지 5,000,000 g/mol의 고분자를 포함하는 5 내지 30 중량%의 고분자 용액을 사용하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액은 전도성 기판과 분사장치의 노즐과의 거리를 5 내지 20 cm를 유지하여 분사하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액의 분사속도는 10 내지 300 ul/분인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액은 용매 100 중량부에 대해 5 내지 20 중량부의 나노입자 금속산화물을 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 방법은, (b)단계 이후에, 나노입자 금속산화물-고분자의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층 위에 블록킹층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 블록킹층은 바인더프리 금속산화물 나노입자를 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법
- 제1항에 있어서, 상기 방법은 (b)단계 이후에, 다공성 나노입자 금속산화물층을 형성한 광전극에 가압 프레스를 이용하여 압력을 가하는 단계를 더 포함하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고분자 용액은 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 키토산, 키틴, 폴리아크릴아마이드, 폴리아크릴산, 에틸셀룰로오스, 폴리하이드록시에틸메타크릴산, 폴리메틸메타크릴레이트, 셀룰로오스, 폴리사카라이드, 폴리아마이드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리디메틸실록산을 포함하는 실리콘 함유 고분자, 이소프렌, 부타디엔계 고무 및 그 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 1-400nm의 금속산화물을 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 방법은 다공성 나노입자 금속산화물층을 갖는 기판을 감광성 염료 및 가시광을 흡수하는 물질을 포함하는 용액에 침지하여 염료를 흡착하는 단계를 더 포함하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 및 트리아세틸셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택된 투명 플라스틱 기판; 유리 기판; 또는 금속박막을 사용하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 기판은 어느 일면에 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3), 및 SnO2-Sb2O3로 이루어진 군에서 선택된 전도성 필름이 더 코팅되어 있는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 전도성 기판, 및상기 전도성 기판의 일면에 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되며, 전도성 기판의 일면에 형성된 망상구조의 나노입자 금속산화물-고분자나노섬유의 복합체를 포함하는 다공성 나노입자 금속산화물층을 포함하는 광전극으로서,상기 복합체는 구형, 막대형, 링, 판상 또는 서로 연결된 연속체(bicontinuous structure)로 이루어진 금속산화물과 고분자나노섬유를 포함하는 하이브리드 구조인, 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제18항에 있어서, 상기 광전극은 직경이 7mm 인 벤딩테스트기를 이용한 1000회 벤딩 테스트 후의 초기효율 대비 광전변환 효율 감소율(%)이 15% 이하인 것인, 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제18항에 따른 광전극;상기 광전극에 서로 마주보며 대향 배치된 전도성 투명기판을 포함하는 상대전극; 및상기 광전극과 상대전극 사이의 공간에 충진하는 전해질을 포함하는, 염료감응 태양전지.
- 제20항에 있어서, 상기 전해질이 요오드를 함유하는 액체 전해질인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제20항에 있어서, 상기 전해질이 폴리비닐리덴플로라이드-co-폴리헥사플루오르프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리알킬아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 함유하는 고분자 겔 전해질인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제20항에 있어서, 상기 전해질이 실리카 및 TiO2 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 무기입자를 함유하는 고분자 겔 전해질인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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