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KR101234239B1 - 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

염료감응 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101234239B1
KR101234239B1 KR1020110006505A KR20110006505A KR101234239B1 KR 101234239 B1 KR101234239 B1 KR 101234239B1 KR 1020110006505 A KR1020110006505 A KR 1020110006505A KR 20110006505 A KR20110006505 A KR 20110006505A KR 101234239 B1 KR101234239 B1 KR 101234239B1
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KR
South Korea
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titanium dioxide
dye
electrode
light scattering
scattering layer
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이지원
김창욱
박도영
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

제 1 전극; 상기 제 1 전극의 일면 상에 배치되는 광음극; 상기 광음극의 일면 상에 배치되는 광산란층; 상기 광음극과 광산란층이 순차적으로 일면 상에 적층된 제 1 전극에 대향하여 배치되는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 개재된 전해질;을 구비하며, 상기 광산란층이 이산화티탄 나노와이어 및 이산화티탄 나노입자를 포함하는 염료감응 태양전지가 개시된다.

Description

염료감응 태양전지 및 그 제조방법{Dye sensitized solar cell, and manufacturing method thereof}
염료감응 태양전지, 및 그 제조방법이 제시된다.
염료감응 태양전지는 감광성 염료가 흡착된 광음극, 산화/환원 이온쌍을 포함한 전해질 및 백금 촉매가 포함된 상대전극으로 구성된다. 그중에서 광음극은 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속산화물 반도체 입자를 사용한다.
염료감응 태양전지는 태양광이 입사하면 태양광을 흡수한 감광성 염료가 여기상태로 되어 전자를 금속산화물의 전도대로 보낸다. 전도된 전자는 이동하여 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고 전기에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대전극으로 이동한다.
그 후, 감광성 염료는 금속 산화물에 전달한 전자수만큼 전해질용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이 때 사용하는 전해질은 산화-환원 반응에 의하여 상대전극으로부터 전자를 받아 감광성 염료에 전달하는 역할을 한다.
염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 높이기 위해서는 광음극의 비표면적을 증가시켜 염료의 흡착량 증가에 의한 광전자의 생성효율을 증가시키며, 감광성 염료로부터 금속산화물에 전달된 전자가 전극으로 이동하는 것이 용이하여야 한다. 또한, 상기 광음극을 투과하여 지나가는 태양광의 손실을 최소화하는 것이 요구된다.
본 발명의 한 측면은 효율이 개선된 염료감응 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따라,
제 1 전극;
상기 제 1 전극의 일면 상에 배치되는 광음극;
상기 광음극의 일면 상에 배치되는 광산란층;
상기 광음극과 광산란층이 순차적으로 일면 상에 적층된 제 1 전극에 대향하여 배치되는 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 개재된 전해질;을 구비하며,
상기 광산란층이 이산화티탄 나노와이어 및 이산화티탄 나노입자를 포함하는 염료감응 태양전지가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따라,
산화물 반도체층을 준비하는 단계; 및
상기 산화물 반도체층 상에 광산란층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 광산란층을 형성하는 단계가,
이산화티탄 전구체, 이산화티탄 나노입자, 바인더 및 용매를 포함하는 전구체 용액을 준비하는 단계; 및
상기 전구체 용액을 상기 산화물 반도체층의 일면 상에 전계방사한 후, 이를 열처리하여 단계;를 포함하는 염료감응 태양전지 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일구현예에 따른 염료감응 태양전지는 태양광의 손실이 감소되고 광전자의 생성효율이 증가되며 광전자의 전달경로가 개선되어 염료감응 태양전지의 효율 등이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 2a는 실시예 1에서 제조된 이산화티탄 나노입자와 이산화티탄 나노와이어의 복합체의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 2b는 도 2a의 확대도이다.
이하에서 예시적인 구현예들에 따른 염료감응 태양전지, 및 그 제조방법에 관하여 더욱 상세히 설명한다.
일구현예에 따른 염료감응형 태양전지는 제 1 전극; 상기 제 1 전극의 일면 상에 배치되는 광음극; 상기 광음극의 일면 상에 배치되는 광산란층; 상기 광음극과 광산란층이 순차적으로 일면 상에 적층된 제 1 전극에 대향하여 배치되는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 개재된 전해질;을 구비하며, 상기 광산란층이 이산화티탄 나노와이어 및 이산화티탄 나노입자를 포함한다. 상기 광음극은 산화물반도체층을 포함할 수 있다.
상기 태양전지에서 광산란층을 포함함에 의하여, 상기 제 1 전극 및 광음극을 투과한 태양광이 이산화티탄 나노와이어 및 이산화티난 나노입자를 포함하는 광산란층에서 산란되어 광음극으로 반사됨에 의하여 광음극에 흡수되는 태양광의 양이 증가될 수 있다. 또한, 상기 광산란층에 포함된 이산화티탄 나노입자에 흡착된 염료에 의하여 광전자의 생성효율이 증가되며, 상기 광산란층에 포함된 이산화티탄 나노와이어에 의하여 전자의 전달 통로가 확보되어 재결합에 의한 광전자의 손실이 감소될 수 있다. 결과적으로, 태양전지의 광전변환효율이 증가할 수 있다.
상기 태양전지에서, 상기 이산화티탄 나노입자가 이산화티탄 나노와이어의 적어도 일 표면에 부착되어 이산화티탄 나노와이어와 복합체를 형성할 수 있다. 상기 복합체을 형성함에 의하여 이산화티탄 나노입자에서 발생한 광전자가 이산화티탄 나노와이어로 용이하게 전달될 수 있다.
상기 태양전지에서, 상기 광산란층의 두께는 1 내지 5㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 광산란층의 두께는 2 내지 5㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 광산란층의 두께는 2 내지 4㎛일 수 있다. 상기 두께 범위에서 태양광의 산란이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 광산란층의 두께가 지나치게 두꺼우면 광투과율이 저하될 수 있으며, 상기 광산란층의 두께가 지나지게 얇으면 광산란 효과가 저하될 수 있다. 또한, 광산란층의 두께가 지나치게 두껍거나 얇으면 광산란층과 광음극 사이의 부착력이 저하될 수 있다.
상기 이산화티탄 나노와이어의 평균 직경은 10 내지 100nm일 수 있다. 상기 직경 범위에서 태양광의 산란이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화티탄 나노와이어의 직경이 지나치게 작으면 태양광의 산란이 저하될 수 있으며, 상기 이산화티탄 나노와이어의 직경이 지나치게 크면 광투과율이 저하될 수 있다.
상기 이산화티탄 나노입자의 평균 직경은 10 내지 90nm일 수 있다. 상기 직경 범위에서 비표면적이 향상되어 염료의 흡착이 증가될 수 있다. 상기 이산화티탄 나노입자의 직경이 지나치게 작으면 페이스트의 분산이 어려울 수 있으며 전자 재결합(elelctron recombination)에 의한 효율 저하가 있을 수 있으며, 상기 이산화티탄 나노입자의 직경이 지나치게 작으면 염료의 흡착이 저하될 수 있다.
상기 태양전제에서 상기 광음극이 이산화티탄 나노입자를 포함하며, 상기 광산란층에 포함된 이산화티탄 나노와이의 직경 대 상기 광음극에 포함된 이산화티탄 나노입자의 직경의 비율이 1:1 내지 10:1 일 수 있다. 상기 비율 범위에서 태양전지의 효율의 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화티탄 나노와이어의 직경이 이산화티탄 나노입자의 직경보다 지나치게 크면 나노입자가 나노와이어에 잘 부착되지 않을 수 있으며, 상기 이산화티탄 나노와이어의 직경이 이산화티탄 나노입자의 직경보다 지나치게 작으면 태양광의 산란이 저하될 수 있다.
다른 구현예에 따른 염료감응 태양전지 제조방법은 산화물 반도체층을 준비하는 단계; 및 상기 산화물 반도체층 상에 광산란층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 광산란층을 형성하는 단계가, 이산화티탄 전구체, 이산화티탄 나노입자, 바인더 및 용매를 포함하는 전구체 용액을 준비하는 단계; 및 상기 전구체 용액을 상기 산화물 반도체층의 일면 상에 전계방사한 후, 이를 열처리하여 단계;를 포함하다.
상기 광산란층은 예를 들어 다음과 같이 형성될 수 있다.
먼저 이산화티탄 전구체, 이산화티탄 나노입자, 바인더 및 용매를 혼합하여 전구체 용액을 준비하다.
상기 이산화티탄 전구체는 티타늄 이소프로폭사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 클로라이드, 티타늄 메톡사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 열처리에 의하여 이산화티탄을 생성할 수 있는 전구체라면 모두 사용될 수 있다.
상기 이산화티탄 나노입자의 직경은 10 내지 90nm일 수 있다. 상기 직경 범위에서 비표면적이 향상되어 염료의 흡착이 증가될 수 있다. 상기 이산화티탄 나노입자의 직경이 지나치게 작으면 페이스트의 분산이 어려울 수 있으며 전자 재결합에 의한 효율 저하가 있을 수 있으며, 상기 이산화티탄 나노입자의 직경이 지나치게 크면 염료의 흡착이 저하될 수 있다.
상기 바인더는 상기 바인더로는 에틸셀룰로오즈, 하이드로프로필셀루로오즈, 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 사용되는 바인더로서 400℃ 이상에서 열분해되는 것이라면 모두 사용될 수 있다.
상기 용매로는 테르피네올, 에탄올, 증류수, 에틸렌글리콜, 알파-테르피네올 등을 이용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 용매라면 모두 사용될 수 있다.
상기 전구체 용액에서 이산화티탄 나노입자의 함량은 상기 전구체 용액 총 중량을 기준으로 5 내지 20 중량%일 수 있다. 상기 함량 범위에서 염료감응 태양전지의 광전변환효율이 향상될 수 있다. 예를 들어, 이산화티탄 나노입자의 함량이 지나치게 높으면 나노로드가 형성될 수 있으며, 상기 이산화티탄 나노입자의 함량이 지나치게 낮으면 염료흡착 면적이 감소될 수 있다.
상기 전구체 용액에서 상기 이산화티탄 전구체의 함량이 상기 이산화티탄 나노입자 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 150 중량부일 수 있다. 상기 함량 범위에서 염료감응 태양전지의 광전변환효율이 향상될 수 있다. 예를 들어, 이산화티탄 전구체의 함량이 지나치게 높으면 부착력이 저하될 수 있으며, 상기 이산화티탄 전구체의 함량이 지나치게 낮으면 균일한 직경을 가지는 나노와이어가 형성되기 어려울 수 있다.
상기 전구체 용액에서 상기 바인더의 함량이 상기 이산화티탄 나노입자 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 40 중량부일 수 있다. 상기 함량 범위에서 염료감응 태양전지의 광전변환효율이 향상될 수 있다. 예를 들어, 바인더의 함량이 지나치게 높으면 전구체 용액의 점도가 지나치게 높아 전계 방사가 어려울 수 있으며, 상기 바인더의 함량이 지나치게 낮으면 나노와이어와 나노입자사이의 결합력이 저하되어 광산란층 형성이 어려울 수 있다.
다음으로, 상기 전구체 용액을 산화물 반도체층의 일면 상에 전계방사한 후, 이를 열처리하여 광산란층을 형성한다.
예를 들어, 상기 전계방사는 전구체 용액을 5 내지 10 kV의 전압에서 10 내지 20 ㎕/분의 속도로 10 내지 30분 동안 수행될 수 있다. 상기 전계방사 조건에서 전계방사 시간에 따라 광산란층의 두께를 조절할 수 있다.
상기 열처리 온도는 400 내지 550℃일 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 온도가 400 내지 500℃일 수 있다. 상기 열처리 온도 범위에서 결함이 적으며 광전도 효율이 높은 광산란층이 얻어질 수 있다. 상기 열처리 온도가 지나치게 높으면 유리가 휘어질 수 있으며, 상기 열처리 온도가 지나치게 낮으면 이산화티탄의 소성이 어려울 수 있다.
상기 산화물 반도체층은 예를 들어 다음과 같이 준비될 수 있다.
먼저 평균 직경 10 내지 90nm의 이산화티탄 나노입자(산화물 반도체 입자), 산, 바인더 및 용매를 혼합하여 산화물 반도체층 형성용 조성물을 준비한다.
상기 조성물은 점도가 10000~30000mPas 정도로서 페이스트 상태를 나타낸다. 상기 산으로는 염산, 질산, 아세트산 등을 사용할 수 있으며, 그 함량은 이산화티탄 나노입자 100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 300 중량부일 수 있다. 산의 함량이 상기 범위일 때 이로부터 형성된 상기 산화물 반도체층으로부터 제조되는 광음극의 광전류 특성이 양호할 수 있다.
상기 바인더로는 에틸셀룰로오즈, 하이드로프로필셀루로오즈 등을 사용할 수 있으며, 바인더용 고분자의 함량은 이산화티탄 나노입자 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 50 중량부일 수 있다. 바인더의 함량이 상기 범위일 때 이로부터 형성된 상기 산화물 반도체층으로부터 제조되는 광음극의 광전류 특성이 양호할 수 있다.
상기 용매로는 테르피네올, 에탄올, 증류수, 에틸렌글리콜, 알파-테르피네올 등을 이용할 수 있으며, 그 함량은 이산화티탄 100 중량부를 기준으로 하여 200 내지 900 중량부일 수 있다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 이로부터 형성된 상기 산화물 반도체층으로부터 제조되는 광음극의 광전류 특성이 양호할 수 있다.
상기 산화물 반도체층 형성용 조성물을 기재 즉 제1기판의 제1전극상에 도포한 후, 이를 400 내지 550℃에서 열처리하면 산화물 반도체층이 형성된다.
상기 산화물 반도체층 형성용 조성물을 기판에 도포하는 방법으로는, 스핀코팅, 딥코팅, 캐스팅, 스크린 프린팅 등의 방법을 이용할수 있고, 산화물 반도체층의 두께는 1000 내지 20000nm의 두께로 형성할 수 있다.
상기 도포 및 열처리는 수차례 반복될 수 있다.
다음으로, 상기 광산란층 및 상기 광산란층 아래에 배치된 산화물 반도체층에 감광성 염료를 동시에 흡착시켜, 광산란층 및 광음극을 제조한다.
상기 감광성 염료는 루테늄계 염료, N3, N719, 블랙다이(Blac dye) 등을 사용할 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 사용될 수 있는 염료라면 모두 가능하다. 상기 N3은 RuL2 (NCS)2 (L=2,2'-bibyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)이고, N719는 RuL2(NCS)2]: 2 TBA (L=2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid, TBA=tetra-n-butylammonium)을 나타낸다.
상기 감광성 염료의 농도 0.1 내지 7 mM인 용액을 제조하여 광산란층 및 광음극을 침적시켜 염료를 흡착 시킬 수 있다. 상기 염료의 농도는 염료의 흡착이 가능한 범위라면 모두 사용될 수 있다. 이때 사용되는 용매로는 에탄올, 아이오프로판올, 아세토니트릴, 발레로니트릴이 사용될 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용되는 용매라면 모두 사용될 수 있다.
이어서, 상기 광산란층 및 광음극이 동일한 일면상에 배치된 제1전극에 대항되게 배치되도록 제2전극이 형성된 제2기판을 접합시키고, 여기에서 전해질을 주입하여 제1전극과 제2전극 사이에 전해질을 존재하게 하여 염료감응 태양전지가 완성된다.
도 1은 예시적인 일구현예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 일 구현 형태에 따른 염료감응 태양전지는 제 1 전극(11), 염료(15)가 담지된 염료감응 광음극(13) 및 염료가 담지된 광산란층(18)이 형성되는 제 1 기판(10)과 제 2 전극(21)이 형성되는 제 2 기판(20)이 서로 대향 배치되고, 제1 전극(11)과 제 2 전극(21) 사이에 전해질(30)이 위치하여 구성된다. 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)의 외측으로 별도의 케이스(도시하지 않음)가 배치될 수 있다. 이에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에서 제 1 전극(11)을 지지하는 지지체 역할을 하는 제1 기판(10)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성된다. 이에 제1 기판(10)은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate, PET), 폴리 에틸렌 나프탈레이트(poly ethylene naphthalate, PEN), 폴리 카보네이트(poly carbonate, PC), 폴리 프로필렌(poly propylene, PP), 폴리 이미드(poly imide, PI), 트리 아세틸 셀룰로오스(tri acetyl cellulose, TAC) 등을 들 수 있다. 상기 제 1 기판(10)은 가시광선 투과율이 91% 이상일 수 있으며, Fe2O3로 환산된 전체 철분 함량이 150ppm 이하일 수 있다. 상기 제 1 기판(10)의 두께는 1 내지 5mm일 수 있다.
제 1 기판(10)의 일면에 형성되는 제 1 전극(11)은 인듐 주석 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 황 산화물, 불소 산화물 및 이들 혼합물중에서 선택된 하나 이상, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 전극(11)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다.
제 1 전극(11) 위에는 염료감응 광음극(13)이 형성된다. 이러한 염료감응 광음극(13)은 평균입경 100nm 미만의 이산화티탄 나노입자들(131)을 포함할 수 있다. 상기 염료감응 광음극(13)은 5000nm 내지 20000nm의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것이 아니며 상기 두께는 용도 및 기술 발전 등에 의해 변화될 수 있음은 물론이다.
상기 염료감응 광음극(13) 위에는 염료감응 광산란층(18)이 형성된다. 이러한 광산란층(18)은 평균입경 10 내지 90nm의 이산화티탄 나노입자(미도시) 및 평균직경 10 내지 100nm의 이산화티탄 나노와이어(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 염료감응 광음극(13) 및 광산란층(18)의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(15)가 흡착된다. 광산란층(18)에도 염료가 흡착되나 도면에서는 생략되었다.
상기 염료(15)는 Aol, Pt, Pd, Eu, Pb, Ir 및 Ru 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 염료일 수 있다. 예를 들어, 상기 염료(15)는 루테늄계 염료일 수 있으나, 반드시 이러한 화합물로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 태양광에 감응할 수 있는 염료로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용 가능하다.
예를 들어, 이러한 화합물은 몰 흡광계수가 우수하고, 가시광선 영역에서의 광전효율이 개선되며, 제조단가가 저렴하여 고가의 무기 염료인 루테늄 염료를 대체할 수 있는 유기 염료이다.
한편, 제1 기판(10)에 대향 배치되는 제2 기판(20)은 제2 전극(21)을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로, 투명하게 형성될 수 있다. 상기 제2 기판(20)은 제1 기판(10)과 동일한 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
제2 기판(20)에 형성되는 제2 전극(21)은 제1 전극(11)과 대향 배치되도록 형성되며, 투명 전극(21a)과 촉매 전극(21b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 투명 전극(21a)의 두께는 100 내지 1000nm일 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매 전극(21b)의 두께는 1 내지 100nm일 수 있다.
상기 투명 전극(21a)은 인듐 틴 산화물, 프루오르 틴 산화물, 안티몬 주석 산화물, 아연 산화물, 틴 산화물, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 이 때 투명 전극(21a)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다. 촉매 전극(21b)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 팔라듐. 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 등으로 이루질 수 있다.
상기 제1 기판(10)과 제2 기판(20)은 접착제에 의해 접합되고, 제2 기판(20)과 제2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)을 통해 전해질(30)이 주입되어 제1 전극(11)과 제2 전극(21) 사이에 전해질(30)이 함침된다. 이러한 전해질(30)은 광음극(13) 및 광산란층(18)의 내부로 균일하게 분산된다. 전해질(30)은 산화 환원에 의해 제2 전극(21)으로부터 전자를 받아 염료(15)에 전달하는 역할을 수행한다. 제2 기판(20) 및 제2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)은 접착제(42) 및 커버 글라스(43)에 의해 밀봉된다.
도 1에는 나타나 있지 않으나, 상기 제1전극(11)상부 그리고 상기 염료감응 광음극(13) 하부에는 통상적인 다공질막인 금속 산화물막이 더 형성될 수 있다.
상기 다공질막은 금속 산화물 입자로 구성되며, 이산화티탄(titanium oxide), 징크 산화물, 틴 산화물, 스트론튬 산화물(strontium oxide), 인듐 산화물(indium oxide), 이리듐 산화물(iridium oxide), 란탄 산화물(lanthan oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 몰리브덴 산화물(molybdenum oxide), 텅스텐 산화물(tungsten oxide), 니오브 산화물(niobium oxide), 마그네슘 산화물(magnesium oxide), 알루미늄 산화물(aluminium oxide), 이트륨 산화물(yttrium oxide), 스칸듐 산화물(scandium oxide), 사마륨 산화물(samarium oxide), 갈륨 산화물(galluim oxide), 스트론튬 이산화티탄(strontium titanium oxide)등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 금속 산화물 입자들은 일구현예에 따르면, 이산화티탄인 TiO2, 주석 산화물인 SnO2, 텅스텐 산화물인 WO3, 아연 산화물 ZnO, 또는 이들의 복합체 등으로 이루어진다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시에는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(염료감응 태양전지의 제조)
실시예 1:
제1전극인 FTO(2.2T, T: Glass thickness)로 이루어진 전도성 박막 상에 산화물 반도체층 형성용 조성물인 이산화티탄 페이스트를 순차적으로 코팅, 건조, 코팅 및 건조하고, 이를 500℃에서 약 30분동안 열처리하여 10μm 두께의 산화물 반도체층을 형성시켰다.
상기 산화물 반도체층 형성용 조성물인 이산화티탄 페이스트는 PST 18NR(JGC C&C社 PASTE)을 사용한다.
상기 반도체층 상에 이산화티탄 전구체 용액을 10 kV의 전압에서 15 ㎕/분의 속도로 30분 동안 전계 방사한 후, 이를 500℃에서 약 30분동안 열처리하여 2 μm 두께의 광산란층을 형성시켰다. 노즐의 내경은 1mm, 분사 노즐로부터 반도체층까지의 거리는 30cm이었다.
상기 이산화티탄 전구체 용액은 이산화티탄 프로폭사이드 12 중량%, 에틸셀룰로오스(바인더) 3중량%(TiO2의 30%), 이산화티탄 나노입자(DT51-D) 10중량%, 용매 75중량%를 혼합하여 제조하였다. 상기 이산화티탄 나노입자의 평균 직경은 20nm이었다.
상기 광산란층에 포함된 이산화티탄 나노와이어의 평균 직경은 50nm 이었다. 도 2의 (a) 및 (b)에 보여지는 바와 같이 나노와이어 표면에 나노입자가 부착된 상태의 복합체가 얻어졌다. 도 2의 (b)는 (a)를 확대한 것이다.
이어서, 상기 결과물을 80℃에서 유지하고 이를 염료인 N719를 에탄올에 0.3 mM 농도로 용해한 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 수행하였다.
그 후 염료 흡착된 산화물 반도체층 및 광산란층을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광음극 및 광산란층이 순차적으로 적층된 제1전극을 제조하였다.
이와 별도로 제2전극은, ITO로 이루어진 제1전도성 필름 위에 스퍼터를 이용하여 Pt로 이루어진 제2전도성 필름을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들었다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름 (Surlyn, DuPont, USA) 으로 이루어진 지지대를 다공질막이 형성된 제1전극과 제2전극 사이에 두고 100℃에서 9초 압착시킴으로서 두 전극을 접합시켰다. 상기 제 2 전극에 형성된 미세 구멍을 통하여 LiI(0.5M) 및 I(0.05M)을 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세구멍을 밀봉하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 2:
15분 동안 전계방사하여, 광산란층의 두께가 1㎛가 되도록 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 1: 광산란층 없는 태양전지
제1전극의 FTO(2.2T) 로 이루어진 전도성 박막 상에 산화물 반도체층 형성용 조성물인 이산화티탄 페이스트를 순차적으로 코팅, 건조, 코팅 및 건조하고, 이를 500℃에서 약 30분동안 열처리하여 10 μm 두께의 산화물 반도체층을 형성시켰다.
상기 산화물 반도체층 형성용 조성물인 이산화티탄 페이스트는 PST 18NR(JGC C&C社 PASTE)을 사용한다.
이어서, 상기 결과물을 80℃에서 유지하고 이를 염료인 N719를 에탄올에 0.3 mM 농도로 용해한 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 수행하였다.
그 후 염료 흡착된 산화물 반도체층을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광음극이 적층된 제1전극을 제조하였다.
이와 별도로 제2전극은, ITO로 이루어진 제1전도성 필름 위에 스퍼터를 이용하여 Pt로 이루어진 제2전도성 필름을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들었다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름 (Surlyn, DuPont, USA) 으로 이루어진 지지대를 다공질막이 형성된 제1전극과 제2전극 사이에 두고 100℃에서 9초 압착시킴으로서 두 전극을 접합시켰다. 상기 제 2 전극에 형성된 미세 구멍을 통하여 LiI(0.5M) 및 I(0.05M)을 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세구멍을 밀봉하여 염료감응 태양전지를 제조하였다. 즉, 비교예 1의 염료감응 태양전지는 광음극만을 포함한다.
비교예 2: 나노입자 광산란층을 가진 태양전지
제1전극의 FTO(2.2T)로 이루어진 전도성 박막 상에 산화물 반도체층 형성용 조성물인 이산화티탄 페이스트를 순차적으로 코팅, 건조, 코팅 및 건조하고, 이를 500℃에서 약 30분동안 열처리하여 10μm 두께의 산화물 반도체층을 형성시켰다.
상기 산화물 반도체층 형성용 조성물인 이산화티탄 페이스트는 PST 18NR(JGC C&C社 PASTE)을 사용한다.
상기 반도체층 상에 광산란층 형성용 조성물인 이산화티탄 페이스트를 순차적으로 코팅, 건조, 코팅 및 건조하고, 이를 500℃에서 약 30분동안 열처리하여 4μm 두께의 광산란층을 형성시켰다.
상기 광산란층 형성용 조성물인 이산화티탄 페이스트는 400nm의 평균 입경을 갖는 PST 400C(JGC C&C社 PASTE)를 사용하였다.
이어서, 상기 결과물을 80℃에서 유지하고 이를 염료인 N719를 에탄올에 0.3 mM 농도로 용해한 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 수행하였다.
그 후 염료 흡착된 산화물 반도체층 및 광산란층을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광음극 및 광산란층이 순차적으로 적층된 제1전극을 제조하였다.
이와 별도로 제2전극은, ITO로 이루어진 제1전도성 필름 위에 스퍼터를 이용하여 Pt로 이루어진 제2전도성 필름을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들었다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름 (Surlyn, DuPont, USA) 으로 이루어진 지지대를 다공질막이 형성된 제1전극과 제2전극 사이에 두고 100℃에서 9초 압착시킴으로서 두 전극을 접합시켰다. 상기 제 2 전극에 형성된 미세 구멍을 통하여 LiI(0.5M) 및 I(0.05M)을 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세구멍을 밀봉하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
평가예 1: 광전변환효율 평가
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따른 염료감응 태양전지에 대하여 광전류전압을 측정하고 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압, 전류밀도 및 충진계수를 계산하고 이로부터 태양전지의 효율을 평가하여 하기 표1에 나타내었다.
여기에서 광원으로는 제논 램프를 사용하였고, 상기 제논 램프의 태양조건은 표준 태양전지(Fraunhofer Instituts Solare Energie systeme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si+KG filter)를 사용하여 보정하였고, 전력밀도100mW/cm2에서 측정하였다.
하기 표 1의 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency), 및 충진계수(fill factor)의 측정 조건은 다음과 같다.
(1) 개방전압(V) 및 광전류밀도(㎃/㎠): 개방전압과 광전류 밀도는 Keithley SMU2400을 이용하여 측정하였다.
(2) 에너지 변환효율(%) 및 충진계수(%): 에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100 mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[300W, Oriel], AM1.5 filter, 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하였고, 충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 하기 계산식을 이용하여 계산하였다.
[계산식]
Figure 112011005289741-pat00001
상기 계산식에서, J는 변환효율 곡선의 Y축값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc 및 Voc는 각 축의 절편값이다.
또한, 염료감응 태양전지에 대해 100 mW/㎠ 제논램프를 광원으로 하여 전류-전압 특성을 분석하였다.
구분 전류밀도(Jsc)
[mAcm-2]		 개방전압(Voc)
[V]		 충진계수(FF)
[%]		 효율 η
[%]
실시예1 11.08 0.75 74 6.1
실시예 2 10.12 0.75 75 5.6
비교예 1 8.46 0.76 76 4.9
비교예 2 9.98 0.75 74 5.5
상기 표 1에서 보여지는 바와 같이, 실시예 1 내지 2의 염료감응 태양전지는 비교예 1 내지 2의 염료감응 태양전지에 비하여 효율이 우수하였다.
상기에서 본 발명의 바람직한 제조예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극의 일면 상에 배치되는 광음극;
    상기 광음극의 일면 상에 직접 배치되는 광산란층;
    상기 광음극과 광산란층이 순차적으로 일면 상에 적층된 제 1 전극에 대향하여 배치되는 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 개재된 전해질;을 구비하며,
    상기 광산란층이 길이 1㎛ 이상의 이산화티탄 나노와이어 및 이산화티탄 나노입자를 포함하며,
    상기 이산화티탄 나노입자가 이산화티탄 나노와이어의 적어도 일 표면에 부착되어 이산화티탄 나노와이어와 복합체를 형성하며,
    상기 이산화티탄 나노입자가 이산화티탄 나노와이어의 적어도 일부를 피복하는 염료감응 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광산란층의 두께가 1 내지 5㎛인 염료감응 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노와이어의 평균 직경이 10 내지 100nm인 염료감응 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노입자의 평균직경이 10 내지 90nm인 염료감응 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광음극이 이산화티탄 나노입자를 포함하며,
    상기 광산란층에 포함된 이산화티탄 나노와이의 직경 대 상기 광음극에 포함된 이산화티탄 나노입자의 직경의 비율이 1:1 내지 10:1 인 염료감응 태양전지.
  7. 산화물 반도체층을 준비하는 단계; 및
    상기 산화물 반도체층 상에 광산란층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 광산란층을 형성하는 단계가,
    이산화티탄 전구체, 이산화티탄 나노입자, 바인더 및 용매를 포함하는 전구체 용액을 준비하는 단계; 및
    상기 전구체 용액을 상기 산화물 반도체층의 일면 상에 전계방사한 후, 이를 열처리하여 단계;를 포함하는 염료감응 태양전지 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 이산화티탄 전구체가 티타늄 이소프로폭사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 클로라이드 및 티타늄 메톡사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 염료감응 태양전지 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노입자의 직경이 10 내지 90nm인 염료감응 태양전지 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노입자의 함량이 장기 전구체 용액 총 중량을 기준으로 5 내지 20중량%인 염료감응 태양전지 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 전구체 용액에서 상기 이산화티탄 전구체의 함량이 상기 이산화티탄 나노입자 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 150 중량부인 염료감응 태양전지 제조방법.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 전구체 용액에서 상기 바인더의 함량이 상기 이산화티탄 나노입자 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 40 중량부인 염료감응 태양전지 제조방법.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 전계방사가 전구체 용액을 5 내지 10 kV의 전압에서 10~15 ㎕/분의 속도로 10 내지 30분 동안 수행되는 염료감응 태양전지 제조방법.
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 열처리 온도가 400 내지 550℃인 염료감응 태양전지 제조방법.
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