KR101082987B1 - 염료감응형 태양전지의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투명전극에 수직하는 외부 전계를 인가하여 염료 분자에 대해 금속산화물층 방향으로 전기적인 인력을 발생시켜 금속산화물-염료 결합 속도가 향상되도록 한 염료감응형 태양전지의 제조 방법에 관한 것으로, 투명 전극이 형성된 하부 기판상에 금속 산화물층을 형성하는 단계;상기 금속 산화물층이 형성된 투명 전극을 염료 용액에 담그고, 투명 전극의 상부와 하부에 각각 제 1,2 외부 전극을 위치시켜 상기 투명 전극에 수직한 방향으로 전계가 형성된 상태에서 염료 흡착 공정을 진행하는 단계;를 포함한다.

태양 전지, 염료 감응, 투명 전극, 수직 전계, 직류 고전압, 염료 흡착

Description

염료감응형 태양전지의 제조 방법{Method for fabricating of Dye-sensitized solar cell}

본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 구체적으로 투명전극에 수직하는 외부 전계를 인가하여 염료 분자에 대해 금속산화물층 방향으로 전기적인 인력을 발생시켜 금속산화물-염료 결합 속도가 향상되도록 한 염료감응형 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.

최근에는 눈에 띄게 감소하는 화석 연료의 축적량과 증가하는 온실가스 배출량, 그리고 급등하는 국제유가 등으로 인한 문제를 해결하기 위해 세계는 기존 에너지원에 대한 의존도를 줄이기 위한 신, 재생 에너지 개발에 박차를 가하고 있다.

다양한 신, 재생 에너지 이용방법 중에서 특히 전 세계 에너지 소비량 (82.83×10¹² kWh)의 약 10,000배에 달하는 태양에너지 (795,000×10¹² kWh)를 활용한 태양광발전은 무한성, 청정성, 안정성을 겸비하고 국내 활용여건에서도 적합한 발전 형태이다.

하지만, 현재 태양광발전 시장을 대부분 차지하고 있는 결정질 실리콘 태양 전지는 잉곳 부족에 따른 원가상승과 복잡한 제조공정 등으로 인해 경제성 측면에서 문제를 나타내고 있다.

여기에 저렴한 제조비용과 투명성, 다양한 색상 구현과 광입사각에 대한 둔감성을 장점으로 하는 염료감응형 태양전지는 기존 전지의 문제를 해결할 수 있는 유력한 후보로 주목받고 있다.

식물의 광합성 원리에 기초한 염료감응형 태양전지는 도 1에서와 같이 유리 위에 투명전도막이 코팅된 투명전극, 닥터블레이드 방식 또는 스크린프린팅 방식으로 도포된 나노입자의 다공질 금속산화물, 포톤 입자를 흡수하는 염료분자층으로 구성된 광전극과, 투명전극 위에 스퍼터링 또는 도금 방식으로 코팅된 백금층으로 구성된 상대전극과, 그리고 두 전극 사이에 산화환원용 전해질이 채워져 있는 구조이다.

태양광이 전지에 입사되면 염료분자가 포톤 에너지를 흡수함으로써 기저상태에서 여기상태로 변하고, 이 때 전자를 금속산화물의 전도대로 방출함으로써 기전력을 발생시키는 원리로 염료감응형 태양전지가 동작한다.

방출된 전자는 외부부하에 기전력을 전달한 후, 상대전극으로 들어가고, 전자를 잃은 염료분자는 전해질로부터 전자를 받아 원래의 기저상태로 돌아감으로써 한 사이클을 형성하게 된다.

결정질 실리콘 태양전지에 비해 매우 단순한 제조 공정을 갖는 염료감응형 태양전지이지만, 염료와 금속산화물 간의 결합이 발생하는 흡착 공정은 약 24시간이 소요되는 가장 긴 공정으로 생산성 저하의 요인이 되고 있다.

종래 기술의 염료감응형 태양전지의 흡착 공정은 도 2와 같이 금속산화물이 도포된 투명전극을 염료 용액에 침지시켜서 금속산화물과 염료 분자 사이의 공유결합력에 의해 염료분자층을 형성하는 방법을 사용하고 있다.

하지만, 이 방법은 자유 운동하는 염료 분자와 금속산화물이 만나 결합하는 확률적인 과정으로 아주 긴 시간을 소요하는 문제점을 보이고 있다. 효율 및 생산성 향상을 위한 다양한 연구, 개발이 진행되고 있지만, 아직까지 염료의 흡착 시간을 단축하는 연구 결과는 발표되지 않아서 생산성에 있어서 큰 단점으로 작용하고 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 염료고분자의 흡착특성을 향상시키기 위한 방법으로 공정 온도 설정 방법 또는 전계 인가 등의 방법이 사용되고 있으나, 염료 고분자의 흡착 속도를 향상시키고 흡착량을 증가시키는데는 한계가 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 태양전지 제조 방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 투명전극에 수직하는 외부 전계를 인가하여 염료 분자에 대해 금속산화물층 방향으로 전기적인 인력을 발생시켜 금속산화물-염료 결합 속도가 향상되도록 한 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 흡착 공정 동안 외부적으로 전계를 인가해 염료 분자가 전기적인 인력을 받아 금속산화물 근처에 집중될 수 있도록 하여 염료 흡착 시간을 단축시키는 제조 방법과 그로 인해 생산성 향상된 염료감응형 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법은 투명 전극이 형성된 하부 기판상에 금속 산화물층을 형성하는 단계;상기 금속 산화물층이 형성된 투명 전극을 염료 용액에 담그고, 투명 전극의 상부와 하부에 각각 제 1,2 외부 전극을 위치시켜 상기 투명 전극에 수직한 방향으로 전계가 형성된 상태에서 염료 흡착 공정을 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 투명 전극이 위치한 하부 방향이 (+)극이 되고, 반대의 상부 방향이 (-)극이 되도록 전계를 인가하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 제 1,2 외부 전극에 안가되는 전압의 크기는 전극의 크기 및 전 극 간의 거리에 따라 다르게 인가되고, 인가되는 전압은 500 ~ 2,000V의 직류 고전압인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 염료 흡착 공정에서 투명전극에 수직 전계를 인가함으로써 자유운동하는 염료 분자를 전기적인 인력으로 금속산화물 쪽으로 집중시킬 수 있다.

둘째, 더 많은 염료 분자가 흡착되도록 하여 발생하는 전자 수가 증가되어 광전효율을 높일 수 있다.

셋째, 전계 인가 방법으로 염료를 흡착시키는 것에 의해 염료고분자의 열화없이 양산 및 상용 가능성을 높일 수 있는 효과가 있다.

넷째, 전계 인가 방법으로 염료를 흡착시키는 것에 제조 비용의 증가없이 광전효율이 높은 태양 전지를 제공하는 효과가 있다.

다섯째, 투명 전극에 직접 전압을 인가하지 않고 외부 전극을 통하여 전계를 인가하므로 더 높은 전압을 인가하는 것이 가능하다.

따라서, 전압 인가에 따른 투명 전극의 열화 문제를 해결하고, 염료 흡착 속도를 더욱 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 태양전지 제조를 위한 공정 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 태양전지 제조공정에서의 염료 흡착 방식을 나타낸 상세 구성도이다.

본 발명은 투명전극, 금속산화물, 염료, 상대전극 및 전해질을 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조에 관한 것으로, 금속산화물층 상에 흡착되는 염료분자층을 외부 전계를 이용해 형성하는 것이다.

즉, 금속산화물-염료 흡착 과정에 있어서 전계에 의해 결합 속도가 향상되도록 한 것으로, 염료가 금속산화물과 결합하는 과정에서 금속 산화물이 도포된 투명전극이 침지된 염료 용액의 외부에 전계를 인가해서 이온화되어 있는 염료 분자를 금속산화물 쪽으로 가속시켜 향상된 결합 속도를 갖도록 한 것이다.

이하에서 구체적으로 본 발명에 따른 금속산화물-염료 흡착 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3a와 도 3b는 투명 전극(32)이 형성된 하부 기판(31)상에 금속 산화물층(33)을 형성한 상태에서 염료 용액(34)에 담근 상태에서 금속산화물-염료 흡착 공정을 진행하는 과정을 나타낸 것이다.

여기서, 도 3a는 제 1,2 외부 전극(35a)(35b)을 통하여 상기 투명 전극(32)에 수직한 방향으로 전계가 형성되도록 직류 고전압을 인가한 상태를 나타낸 것으로, 투명 전극(32)이 위치한 하부 방향이 (+)극이 되고, 반대의 상부 방향이 (-)극이 되도록 수직방향으로 전계를 인가한 것이다.

그리고 도 3b는 제 1,2 외부 전극(35a)(35b)을 통하여 상기 투명 전극(32)에 수직한 방향으로 전계가 형성되도록 직류 고전압을 인가한 상태를 나타낸 것으로, 투명 전극(32)이 위치한 하부 방향이 (-)극이 되고, 반대의 상부 방향이 (+)극이 되도록 수직방향으로 전계를 인가한 것이다.

본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법에서는 도 3a의 방법을 사용한다.

도 4는 본 발명에 따른 도 3a의 공정 진행시에 형성되는 전계 방향 및 염료 흡착 과정을 상세히 나타낸 것이다.

즉, 금속산화물층(33)이 도포된 투명 전극(32)이 염료 용액(34)에 침지되어 있는 동안 투명 전극(32)에 수직하는 외부 전계를 인가하여 염료 분자에 대해 금속산화물층(33) 방향으로 전기적인 인력을 발생시킨다.

도 4에서와 같이, 자유 운동하는 염료 분자는 전기적인 인력에 의해 금속산화물층(33) 근처에 집중되고, 단위 시간당 금속산화물과 공유결합하는 염료 분자의 수가 증가하게 되어 결국 기존 염료 흡착 방식대비 동일한 시간동안 더 많은 염료 분자를 흡착하게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 태양 전지 제조 공정은 금속산화물에 대한 염료 흡착을 위하여 금속산화물이 도포된 투명전극을 염료 용액에 침지시켜두는 동안 외부의 전극에 직류 고전압을 인가함으로써 전극 사이에 전계를 형성하게 된다.

여기서, 인가되는 전압은 500 ~ 2,000V로 다양하게 선택할 수 있으며, 이는 전극의 크기 및 전극 간의 거리에 따라 달라질 수 있다.

이와 같이 투명 전극에 직접 전압을 인가하지 않고 외부 전극을 통하여 전계를 인가하므로 더 높은 전압을 인가하는 것이 가능하다.

따라서, 전압 인가에 따른 투명 전극의 열화 문제를 해결하고, 염료 흡착 속도를 더욱 증가시킬 수 있다.

본 발명에서 사용한 투명전극과 금속산화물, 염료 및 전해질은 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 이산화티타늄 페이스트, 루테늄 계열 N719 염료, 요오드 계열 AN-50 전해질이 사용될 수 있다.

구체적인 공정 진행 과정은 다음과 같다.

먼저, 하부 글래스 기판상에 투명전극을 형성하고, 투명전극(FTO) 위에 50㎛ 두께의 이산화티타늄 페이스트를 닥터-블레이딩법 또는 스크린 프린팅법으로 도포하고 450℃에서 30분간 소성하여 금속산화물층(33)으로 8 ~ 15㎛ 두께의 나노입자 다공성 이산화티타늄층을 형성한다.

이어, 이산화티타늄이 도포된 투명전극을 N719 염료 용액에 4시간동안 침지시켜 염료흡착 공정을 진행한다.

염료 흡착 공정은 도 3a에서와 같이 투명전극쪽으로 수직 전계를 인가한 상태에서 진행한다.

그리고 상부 글래스 기판상에 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO)을 도포하여 상부 투명 전극을 형성한다. 상부 투명 전극이 형성된 상부 글래스 기판에 전해질 주입을 위해 샌드블라스트를 사용해 미세구멍을 만들고 스퍼터를 사용해 백금층을 증착해 상대 전극을 형성한다.

이어, 하부 글래스 기판과 상부 글래스 기판을 광전극층 및 상대 전극이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하여 핫 멜팅(hot meltting) 실링 테이프를 이용하여 실링 공정을 진행한다. 그리고 상대 전극의 미세 구멍에 전해질 용액을 충진하여 염료 감응 태양전지를 형성한다.

이와 같은 본 발명에 따른 전계에 의해 염료 흡착 속도가 개선된 염료 감응 태양전지의 특성을 살펴보면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 출력 특성 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광 흡수도 비교 그래프이다.

염료 흡착 단계에서 하나는 전계를 인가하지 않은 것과 도 3a와 도 3b와 같이 전계를 인가한 것을 대상으로 한다.

본 발명의 실시예에 따라 제조한 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 측정하기 위해 솔라시뮬레이터를 이용하여 1sun조건(100mW/㎠)에서 전류-전압 곡선을 측정한 것이다.

측정된 전류-전압 곡선으로부터 얻어진 단락전류(I_SC), 개방전압(V_OC) 및 최대 전력(P_MAX)을 이용한 충진계수(FF)와 광전효율(η)의 계산식을 통해 계산한 결과 는 도 5의 그래프 및 표 1에서와 같다.

상기 식에서 P_∈는 1sun조건(100mW/㎠)을 나타낸다.

도 5의 그래프와 표 1의 결과를 통해 금속산화물에 대한 염료 흡착 공정의 외부 전계의 영향을 확인할 수 있다.

본 발명의 실시예에서와 같이 도 3a와 같이 투명전극 쪽이 (+)극성을 띄도록 전압을 인가하여 흡착을 진행한 경우가 종래 흡착 방식을 적용한 경우에 비해 월등히 높은 출력 전류를 나타내고 있다.

즉, 동일한 시간동안 더 많은 염료 분자가 흡착되었음을 나타낸다.

또한, 투명전극 쪽이 (-)극성을 띄도록 전압을 인가하여 흡착을 진행한 경우는 종래 기술의 흡착 방식을 적용한 경우보다 더 낮은 출력 전류를 나타낸다.

이 결과는 외부에서 인가된 전계 방향에 의해 염료 분자의 움직임이 제어되고, 흡착 속도에 영향을 준다는 것을 의미한다.

이는 도 6의 UV-VIS spectra를 통해서도 확인할 수 있다.

상기에서 설명한 전계 인가 흡착 방식과 종래 기술의 흡착 방식으로 금속산화물 위에 염료분자층을 형성한 전극의 광파장에 따른 흡수도를 비교한 결과, 본 발명의 전계를 인가한 흡착 방식으로 제작한 전극의 광 흡수도가 더 높다는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 염료감응형 태양전지의 구성 단면도

도 2는 종래 기술의 태양전지 제조공정에서의 염료 흡착 방식을 나타낸 구성도

도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 태양전지 제조를 위한 공정 단면도

도 4는 본 발명에 따른 태양전지 제조공정에서의 염료 흡착 방식을 나타낸 상세 구성도

도 5는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 출력 특성 그래프

도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광 흡수도 비교 그래프

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

31. 기판 32. 투명 전극

33. 금속 산화물층 34. 염료 용액

35a. 제 1 외부 전극 35b. 제 2 외부 전극

Claims (3)

1. 투명 전극이 형성된 하부 기판상에 금속 산화물층을 형성하는 단계;

   상기 금속 산화물층이 형성된 투명 전극을 염료 용액에 담그고, 투명 전극의 상부와 하부에 각각 제 1,2 외부 전극을 위치시켜 상기 투명 전극에 수직한 방향으로 전계가 형성된 상태에서 염료 흡착 공정을 진행하는 단계;를 포함하고,

   상기 전계 인가시에 상기 투명 전극이 위치한 하부 방향이 (+)극이 되고, 반대의 상부 방향이 (-)극이 되도록 전계를 인가하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1,2 외부 전극에 인가되는 전압의 크기는 전극의 크기 및 전극 간의 거리에 따라 다르게 인가되고,

   인가되는 전압은 500 ~ 2,000V의 직류 고전압인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.

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