KR20090052696A - Dye-Sensitized Solar Cells with Substrate Including a V-N Junction Diode - Google Patents
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Abstract
기판으로서 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탬덤 구조를 사용하는 염료감응 태양전지에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 제1 전도성 기판 위에 형성된 반도체 전극과, 제2 전도성 기판 위에 형성된 대향 전극과, 상기 반도체 전극과 상기 대향 전극과의 사이에 개재되어 있는 전해질층을 포함한다. 상기 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판 중 적어도 1 개의 기판은 p-n 접합 다이오드를 포함한다. Disclosed is a dye-sensitized solar cell using a tambour structure including a p-n junction diode as a substrate. The dye-sensitized solar cell according to the present invention includes a semiconductor electrode formed on a first conductive substrate, a counter electrode formed on a second conductive substrate, and an electrolyte layer interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode. At least one of the first conductive substrate and the second conductive substrate includes a p-n junction diode.
염료감응 태양전지, p-n 접합 다이오드, 기판, 탠덤 Dye-Sensitized Solar Cells, p-n Junction Diodes, Substrates, Tandems
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 특히 염료감응 태양전지에 관한 것이다. 본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다 [과제관리번호: 2006-S-006-02, 과제명: 유비쿼터스 단말용 부품/모듈].The present invention relates to solar cells, and more particularly to dye-sensitized solar cells. The present invention is derived from the research conducted as part of the IT new growth engine core technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. ].
염료감응 태양전지는 가시광선의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로서, 염료 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극과, 백금 또는 탄소가 코팅된 대향 전극과, 이들 전극 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되는 염료감응 태양전지가 있다. 이 광화학적 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하여 주목받아 왔다. Dye-sensitized solar cells are photoelectrochemical solar cells whose main components are photosensitive dye molecules capable of absorbing visible light and generating electron-hole pairs, and transition metal oxides that transfer the generated electrons. to be. As a representative example of dye-sensitized solar cells known to date, a semiconductor electrode composed of nanoparticle titanium dioxide (TiO 2 ) on which dye molecules are adsorbed, a counter electrode coated with platinum or carbon, and an electrolyte solution filled between these electrodes There is a dye-sensitized solar cell. This photochemical cell has been attracting attention due to the low manufacturing cost per power compared to the conventional silicon solar cell.
염료감응 태양전지의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 태양빛에 의해 들뜬 염료들이 전자를 나노입자 이산화티탄의 전도대에 주입한다. 그 주입된 전자들은 나노입자 이산화티탄을 통과하여 전도성 기판에 도달하고 외부 회로로 전달된다. 외부 회로에서 전기적 일을 하고 돌아온 전자는 대향 전극을 통하여 산화/환원 전해질의 전자 전달 역할에 의하여 전자를 이산화티탄에 주입하여 전자가 부족한 염료를 환원시켜 염료감응 태양전지의 작동은 완성된다. The operation principle of the dye-sensitized solar cell is as follows. The dyes excited by sunlight inject electrons into the conduction band of nanoparticle titanium dioxide. The injected electrons pass through nanoparticle titanium dioxide to reach the conductive substrate and are transferred to an external circuit. The electrons returned after working in the external circuit are injected into the titanium dioxide by the electron transfer role of the oxidation / reduction electrolyte through the counter electrode to reduce dyes lacking electrons, thereby completing the operation of the dye-sensitized solar cell.
종래 기술에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극의 이산화티탄층에 흡착된 염료가 태양광으로부터 방출되는 빛중 제한된 일부 파장 영역의 빛 만을 흡수하여 전자를 발생시킨다. 따라서, 상기 염료에서 흡수되지 않는 다른 파장 영역의 빛, 또는 상기 염료에서 흡수될 수 있는 파장 영역의 빛이지만 전기를 발생시키는 데 사용되지 않는 빛은 전자를 발생시키는 데 사용되지 않아 에너지 변환 효율이 낮아지고, 염료감응 태양전지를 효율적으로 활용하는 데 한계가 있다. The dye-sensitized solar cell according to the prior art generates electrons by absorbing only light in a limited portion of wavelengths of light emitted from sunlight by the dye adsorbed on the titanium dioxide layer of the semiconductor electrode. Therefore, light in another wavelength region not absorbed by the dye, or light in a wavelength region absorbable in the dye, but not used to generate electricity, is not used to generate electrons, resulting in low energy conversion efficiency. There is a limit to efficiently utilizing dye-sensitized solar cells.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 태양빛을 최대한 넓은 파장 범위에 걸쳐 흡수하여 전기를 발생시킴으로써 태양전지의 에너지 변환 효율을 최대화할 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to solve the problems in the prior art, to provide a dye-sensitized solar cell that can maximize the energy conversion efficiency of the solar cell by generating electricity by absorbing sunlight over the widest wavelength range as possible. It is.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양태에 따른 염료감응 태양전지는 제1 전도성 기판 위에 형성된 반도체 전극과, 제2 전도성 기판 위에 형성된 대향 전극과, 상기 반도체 전극과 상기 대향 전극과의 사이에 개재되어 있는 전해질층을 포함한다. 상기 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판 중에서 선택되는 어느 하나는 p-n 접합 다이오드를 포함한다. In order to achieve the above object, the dye-sensitized solar cell according to the first aspect of the present invention is a semiconductor electrode formed on the first conductive substrate, the counter electrode formed on the second conductive substrate, between the semiconductor electrode and the counter electrode And an electrolyte layer interposed therebetween. Any one selected from the first conductive substrate and the second conductive substrate includes a p-n junction diode.
상기 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판 중에서 선택되는 어느 하나는 Any one selected from the first conductive substrate and the second conductive substrate
상기 p-n 접합 다이오드와, 상기 p-n 접합 다이오드 위에 형성된 도전층을 포함할 수 있다. The p-n junction diode and a conductive layer formed on the p-n junction diode may be included.
상기 제1 전도성 기판은 p형 반도체층 및 n형 반도체층을 포함하는 상기 p-n 접합 다이오드와, 상기 p형 반도체층과 접하도록 상기 p-n 접합 다이오드 위에 형성된 제1 도전층을 포함할 수 있으며, 상기 반도체 전극은 상기 제1 도전층과 접하도록 형성될 수 있다. The first conductive substrate may include the pn junction diode including a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and a first conductive layer formed on the pn junction diode to contact the p-type semiconductor layer. An electrode may be formed to contact the first conductive layer.
상기 제2 전도성 기판은 p형 반도체층 및 n형 반도체층을 포함하는 상기 p-n 접합 다이오드와, 상기 n형 반도체층과 접하도록 상기 p-n 접합 다이오드 위에 형성된 제2 도전층을 포함할 수 있으며, 상기 대향 전극은 상기 제2 도전층과 접하도록 형성될 수 있다. The second conductive substrate may include the pn junction diode including a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and a second conductive layer formed on the pn junction diode to contact the n-type semiconductor layer. An electrode may be formed to contact the second conductive layer.
상기 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판 중에서 선택되는 어느 하나는 투명 기판과, 상기 투명 기판 위에 형성된 제1 도전층과, 상기 제1 기판 전극층 위에 형성된 상기 p-n 접합 다이오드와, 상기 p-n 접합 다이오드 위에 형성된 제2 도전층을 포함할 수 있다. Any one selected from the first conductive substrate and the second conductive substrate is a transparent substrate, a first conductive layer formed on the transparent substrate, the pn junction diode formed on the first substrate electrode layer, and the pn junction diode formed on the substrate. It may include a second conductive layer.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 양태에 따른 염료 감응 태양전지는 제1 전도성 기판 위에 형성된 반도체 전극과, 제2 전도성 기판 위에 형성된 대향 전극과, 상기 반도체 전극과 상기 대향 전극과의 사이에 개재되어 있는 전해질층을 포함한다. 상기 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판은 각각 p-n 접합 다이오드를 포함한다. In addition, in order to achieve the above object, the dye-sensitized solar cell according to the second aspect of the present invention is a semiconductor electrode formed on the first conductive substrate, the counter electrode formed on the second conductive substrate, the semiconductor electrode and the counter electrode and It includes the electrolyte layer interposed between. The first conductive substrate and the second conductive substrate each include a p-n junction diode.
상기 p-n 접합 다이오드는 p형 CIS (CuInSe2) 화합물 반도체층, n형 CdS층, 및 n형 ZnO:Al층이 차례로 적층된 제1 p-n 접합 다이오드와, p형 a-Si층, i형 a-Si층, 및 n형 a-Si층이 차례로 적층된 제2 p-n 접합 다이오드 중에서 선택되는 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. The pn junction diode includes a first pn junction diode in which a p-type CIS (CuInSe 2 ) compound semiconductor layer, an n-type CdS layer, and an n-type ZnO: Al layer are sequentially stacked, a p-type a-Si layer and an i-type a- The Si layer and the n-type a-Si layer may have any one structure selected from second pn junction diodes sequentially stacked.
상기 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판은 각각 서로 다른 p-n 접합 다이오드 구조를 가질 수 있다. 또는, 상기 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판은 서로 동일한 p-n 접합 다이오드 구조를 가질 수 있다. The first conductive substrate and the second conductive substrate may each have a different p-n junction diode structure. Alternatively, the first conductive substrate and the second conductive substrate may have the same p-n junction diode structure.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극이 형성되는 제1 전도성 기판과, 대향 전극이 형성되는 제2 전도성 기판 중 적어도 하나의 기판에 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤(tandem) 구조가 포함되어 있다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지에서는 염료감응 태양전지에서 흡수되지 않은 빛, 또는 전기를 발생시키는 데 사용되지 않은 빛 등 다양한 태양빛을 기판에서 흡수하여 전기를 발생시키는 데 사용할 수 있는 구조를 가지게 된다. 따라서, 개방 전압이 증가될 수 있고 이에 따라 에너지 변환 효율이 증대될 수 있다. The dye-sensitized solar cell according to the present invention includes a tandem structure including a pn junction diode in at least one of a first conductive substrate on which a semiconductor electrode is formed and a second conductive substrate on which an opposite electrode is formed. . In the dye-sensitized solar cell according to the present invention has a structure that can be used to generate electricity by absorbing a variety of sunlight from the substrate, such as light that is not absorbed in the dye-sensitized solar cell, or light that is not used to generate electricity . Thus, the open circuit voltage can be increased and thus the energy conversion efficiency can be increased.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 본 명세서에서 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막 또는 기판의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다. 첨부 도면에서, 막들 및 영역들의 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 도면에 도시된 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 첨부 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Embodiments of the invention may be modified in various forms, the scope of the invention should not be construed as limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully illustrate the present invention. Where a film is described herein as being "on" another film or substrate, the film may be directly on top of the other film or substrate, with a third other film interposed therebetween. In the accompanying drawings, the thicknesses and sizes of the films and regions are exaggerated for clarity. Accordingly, the invention is not limited by the relative size or spacing shown in the accompanying drawings. Like reference numerals in the accompanying drawings refer to like elements.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the main configuration of the dye-sensitized
본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는 제1 전도성 기판(110) 위에 형성된 반도체 전극(130)과, 제2 전도성 기판(150) 위에 형성된 대향 전극(170)을 포함한다. 상기 반도체 전극(130)과 상기 대향 전극(170)과의 사이에는 전해질층(190)이 개재되어 있다. The dye-sensitized
상기 제1 전도성 기판(110) 및 제2 전도성 기판(150)에는 각각 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤(tandem) 구조(120, 160)가 포함되어 있다. The first
도 1에 예시된 염료감응 태양전지(100)에서, 상기 제1 전도성 기판(110)은 제1 투명 기판(112), 제1 도전층(114), p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120), 및 제2 도전층(128)이 차례로 적층되어 있다. 그리고, 상기 제2 전도성 기판(150)은 제1 투명 기판(152), 제3 도전층(154), p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(160), 및 제4 도전층(168)이 차례로 적층되어 있다. In the dye-sensitized
상기 제1 투명 기판(112) 및 제2 투명 기판(152)은 각각 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 도전층(114), 제2 도전층(128), 제3 도전층(154) 및 제4 도전층(168)은 각각 FTO (fluorine-doped tin oxide), ITO (indium tin oxide), 또는 SnO2 로 이루어질 수 있다. 또는, 제1 투명 기판(112) 및 제2 투명 기판(152)은 각각 전도성 고분자와 같은 전도성 투명 기판으로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 제1 도전층(114) 및 제3 도전층(154)은 별도로 형성할 필요가 없다. The first
상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120, 160)에는 각각 p형 반도체층 및 n형 반도체층을 포함하는 상기 p-n 접합 다이오드가 형성되어 있다. The p-n junction diode including the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is formed in the
바람직하게는, 상기 반도체 전극(130)에 인접한 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120)에서는 p형 반도체층이 상기 제2 도전층(128)에 접하도록 형성된다. 그리고, 상기 반도체 전극(130)은 상기 제2 도전층(128)에 접하도록 상기 제2 도전층(128)의 바로 위에 형성된다. 즉, 상기 제1 전도성 기판(110)에서는 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120)의 p형 반도체층이 상기 반도체 전극(130)에 인접하게 배치되도록 한다. Preferably, in the
또한 바람직하게는, 상기 대향 전극(170)에 인접한 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(160)에서는 n형 반도체층이 상기 제4 도전층(168)에 접하도록 형성된다. 그리고, 상기 대향 전극(170)은 상기 제4 도전층(168)에 접하도록 상기 제4 도전층(168)의 바로 위에 형성된다. 즉, 상기 제2 전도성 기판(150)에서는 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(160)의 n형 반도체층이 상기 대향 전극(168)측에 인접하게 배치되도록 한다. Also, in the
상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120, 160)는 각각 p형 CIS (CuInSe2) 화합물 반도체층, n형 CdS층, 및 n형 ZnO:Al층이 차례로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120, 160)는 n형 a-Si층, i형 a-Si층, 및 p형 a-Si층이 차례로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120, 160)는 n형 GaAs층 및 p형 GaAs층을 포함하는 p-n 접합 다이오드 구조를 가질 수도 있다. The
상기 제1 도전층(114) 및 제2 도전층(128)은 서로 동일한 도전 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 다른 도전 물질로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전층(114) 및 제2 도전층(128)은 각각 FTO, ITO, Mo, SnO2, Ge 로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 동일한 물질, 또는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. The first
상기 반도체 전극(130)은 염료 분자가 흡착된 금속 산화물층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 산화물층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있으며, 약 3 ∼ 12 ㎛ 의 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속 산화물층은 약 15 ∼ 25 nm의 크기를 가지는 이산화티탄으로 이루어진다. 상기 금속 산화물층에 흡착된 염료 분자는 루테늄 착체(錯體)로 이루어질 수 있다. The
상기 대향 전극(170)은 백금(Pt)으로 이루어질 수 있다. The
상기 반도체 전극(130)과 상기 대향 전극(170)과의 사이에서 격벽(sealant)(180)에 의해 밀봉되는 공간에는 전해질층(190)이 채워져 있다. 상기 전해질층(190)은 요오드계 산화-환원 액체 전해질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 전해질층(190)은 0.6 M의 1-헥실-3-다이메틸 이미다졸리움 아이오다이드 (1-hexyl-3-dimethyl-imidazolium iodide), 0.03 M의 I2 (iodine), 0.5 M의 t-부틸피리 딘 (t-butylpyridine), 및 0.1 M의 구아니디움 티오시아네이트 (guanidium thiocyanate)를 에세토니트릴 (acetonitrile)과 발레로니트릴 (valeronitrile)을 섞은 혼합 용매에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액으로 이루어질 수 있다. The
상기 격벽(180)은 예를 들면 썰린(Surlyn)과 같은 열가소성 고분자막으로 이루어질 수 있으며, 약 30 ∼ 50 ㎛의 두께 및 약 1 ∼ 4 mm의 폭을 가질 수 있다. The
도 1에는 상기 제1 전도성 기판(110) 및 제2 전도성 기판(150)에 각각 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120, 160)가 포함된 구조가 예시되어 있다. 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120, 160)는 서로 동일한 구조를 가질 수도 있고 서로 다른 구조를 가질 수도 있다. 또는, 필요에 따라, 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(120, 160)중 어느 하나가 생략될 수도 있다. 1 illustrates a structure in which the
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지(200)의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 도 2에 있어서, 도 1에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 2 is a cross-sectional view showing the main components of the dye-sensitized
도 2에 예시된 염료감응 태양전지(200)에서, 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(220)는 비정질 실리콘 (a-Si)으로 이루어지는 p-n 접합 다이오드로 구성되고, 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(260)는 CIS (CuInSe2) 화합물 반도체로 이루어지는 p-n 접합 다이오드로 구성된다. In the dye-sensitized
보다 구체적으로 설명하면, 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구 조(220)는 상기 제1 도전층(114) 위에 n형 a-Si층(222), i형 (intrinsic) a-Si층(224), 및 p형 a-Si층(226)이 차례로 적층된 구조를 가진다. 상기 p형 a-Si층(226) 위에는 상기 제2 도전층(128) 및 반도체 전극(130)이 차례로 형성되어 있다. 도 2의 예에서, 상기 제1 도전층(114) 및 제2 도전층(128)은 각각 FTO로 이루어질 수 있다. More specifically, the
상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(260)는 상기 제3 도전층(154) 위에 p형 CIS (CuInSe2) 화합물 반도체층(262), n형 CdS층(264), 및 n형 ZnO:Al층(266)이 차례로 적층된 구조를 가진다. 상기 n형 ZnO:Al층(266) 위에는 상기 제4 도전층(168) 및 대향 전극(170)이 차례로 형성되어 있다. 도 2의 예에서, 상기 제3 도전층(154)은 Mo로 이루어질 수 있고, 상기 제4 도전층(168)은 FTO로 이루어질 수 있다. The
도 2에 예시된 염료감응 태양전지(200)를 제조하기 위한 예시적인 방법에 따르면, 먼저 제1 전도성 기판(110)을 형성하기 위하여, 제1 투명 기판(112)상에 제1 도전층(114), n형 a-Si층(222), i형 (intrinsic) a-Si층(224), 및 p형 a-Si층(226)이 차례로 적층된 탠덤 구조(220)를 형성한다. 그 후, 상기 p형 a-Si층(226) 위에 예를 들면 FTO, ITO 등과 같은 투명한 제2 도전층(128)을 코팅한다. 그리고, 상기 제2 도전층(128) 위에 반도체 전극(130)을 형성한다. 상기 반도체 전극(130)을 형성하기 위하여, 예를 들면 상기 제2 도전층(128) 위에 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 및 산화아연(ZnO) 중에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 형성하고, 상기 금속 산화물 반도체층을 구성하는 금속 산화물 입자들의 표면에 염료 분자를 흡착시켜 염료 분자층을 형성하는 공정을 행할 수 있다. According to an exemplary method for manufacturing the dye-sensitized
상기 제2 전도성 기판(150)을 형성하기 위하여, 제2 투명 기판(152)상에 제3 도전층(154), p형 CIS 화합물 반도체층(262), n형 CdS층(264), 및 n형 ZnO:Al층(266)이 차례로 적층된 탠덤 구조(260)를 형성한다. 그 후, 상기 n형 ZnO:Al층(266) 위에 예를 들면 FTO, ITO 등과 같은 투명한 제4 도전층(168)을 코팅한다. 그리고, 상기 제4 도전층(168) 위에 대향 전극(170)을 형성한다. 상기 대향 전극(170)을 형성하기 위하여, 예를 들면 다음과 같은 공정을 행할 수 있다. 상기 탠덤 구조(260)가 약 400 ℃의 비교적 고온하에서 열적으로 안정적인 경우, Pt2 + 용액의 고온 환원법을 이용하여 상기 제4 도전층(168) 위에 백금으로 이루어지는 상기 대향 전극(170)을 형성할 수 있다. 상기 탠덤 구조(260)가 약 400 ℃의 비교적 고온하에서 안정적이지 않은 경우, 화학적 환원법을 이용하여 상기 제4 도전층(168) 위에 백금으로 이루어지는 상기 대향 전극(170)을 형성할 수 있다. In order to form the second
도 2에 예시된 염료감응 태양전지(200)에서, 외부로부터의 빛이 제1 투명 기판(112) 또는 제2 투명 기판(152)을 통해 내부로 입사되면, 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(220)의 n-p 계면에서, 상기 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(260)의 n-p 계면에서, 그리고 상기 반도체 전극(130)의 염료 분자가 코팅된 금속 산화물 반도체층을 구성하는 금속 산화물 입자들간의 계면에서 각각 전자 및 정공이 생성된다. 상기 탠덤 구조(220)에서 생성된 정공은 p형 a-Si층(226)으로 이동하고, 전자는 n형 a-Si층(222)으로 이동한다. 상기 n형 a-Si층(222)으로 전달된 전자는 상기 제1 전도성 기판(110)으로부터 상기 제2 전도성 기판(150)까지 연결된 외부 회로(도시 생략)을 돌아서 상기 제2 전도성 기판(150)의 p형 CIS 화합물 반도체층(262)의 정공으로 이동된다. 상기 p형 CIS 화합물 반도체층(262)에서 외부로부터의 빛에 의해 생성된 전자는 n형 CdS층(264) 및 n형 ZnO:Al층(266)과, 제2 도전층(168)을 거쳐 대향 전극(170)까지 이동한다. 대향 전극(170)까지 이동된 전자는 전자 부족 상태에 있는 전해질층(190)으로 전달된다. 또한, 상기 반도체 전극(130)의 금속 산화물 반도체층으로 전달된 전자는 상기 제2 도전층(128)을 통해 상기 p형 a-Si층(226)까지 전달되어 정공과 함께 사라진다. In the dye-sensitized
상기 반도체 전극(130)에서 전자 전이의 결과로 산화된 염료 분자는 전해질층(190) 내의 요오드 이온의 산화 환원 작용(3I- → I3 - + 2e-)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 상기 대향 전극(170)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 상기 염료감응 태양전지(200)의 작동 과정이 완성된다. Results The dye molecules oxidized by the electron transition from the
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 염료감응 태양전지(300)의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 도 3에 있어서, 도 1 및 도 2에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 3 is a cross-sectional view showing the main components of the dye-sensitized
도 3에는, 상기 제1 전도성 기판(110)에만 p-n 접합 다이오드가 포함되어 있고, 상기 제2 전도성 기판(150)에는 p-n 접합 다이오드가 포함되어 있지 않은 경우가 예시되어 있다. In FIG. 3, a p-n junction diode is included only in the first
도 3에서, 상기 제1 전도성 기판(110)에 포함된 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(220)는 도 2에 예시된 바와 같이 비정질 실리콘 (a-Si)으로 이루어지는 p-n 접합 다이오드로 구성된다. In FIG. 3, the
제2 전도성 기판(150)은 제2 투명 기판(152) 및 제3 도전층(154)의 적층 구조로 이루어지며, 상기 제3 도전층(154) 위에는 대향 전극(170)이 형성되어 있다. 예를 들면, 상기 제3 도전층(154)은 FTO로 이루어질 수 있다. The second
도 3에 예시된 염료감응 태양전지(300)에서, 외부로부터의 빛이 제1 투명 기판(112) 또는 제2 투명 기판(152)을 통해 내부로 입사되면, p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(220)의 n-p 계면에서, 그리고 상기 반도체 전극(130)의 염료 분자가 코팅된 금속 산화물 반도체층에서 금속 산화물 입자들간의 계면에서 각각 전자 및 정공이 생성된다. 여기서 생성된 정공은 p형 a-Si층(226)으로 이동하고, 전자는 n형 a-Si층(222)으로 이동한다. 상기 n형 a-Si층(222)으로 전달된 전자는 상기 제1 전도성 기판(110)으로부터 상기 제2 전도성 기판(150)까지 연결된 외부 회로(도시 생략)을 돌아서 상기 제2 투명 기판(152) 위에 형성된 제3 도전층(154) 및 대향 전극(170)까지 이동된다. 상기 대향 전극(170)까지 이동된 전자는 전자 부족 상태에 있는 전해질층(190)으로 전달된다. 또한, 상기 반도체 전극(130)의 금속 산화물 반도체층으로 전달된 전자는 상기 제2 도전층(128)을 통해 상기 p형 a-Si 층(226)까지 전달되어 정공과 함께 사라진다. In the dye-sensitized
상기 반도체 전극(130)에서 전자 전이의 결과로 산화된 염료 분자는 전해질층(190) 내의 요오드 이온의 산화 환원 작용(3I- → I3 - + 2e-)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 상기 대향 전극(170)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 상기 염료감응 태양전지(300)의 작동 과정이 완성된다. Results The dye molecules oxidized by the electron transition from the
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 염료감응 태양전지(400)의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 도 4에 있어서, 도 1 및 도 2에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 4 is a cross-sectional view showing the main components of the dye-sensitized
도 4에는, 상기 제2 전도성 기판(150)에만 p-n 접합 다이오드가 포함되어 있고, 상기 제1 전도성 기판(110)에는 p-n 접합 다이오드가 포함되어 있지 않은 경우가 예시되어 있다. In FIG. 4, a p-n junction diode is included only in the second
도 4에서, 상기 제2 전도성 기판(150)에 포함된 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(260)는 도 2에 예시된 바와 같이 CIS 화합물 반도체로 이루어지는 p-n 접합 다이오드로 구성된다. In FIG. 4, the
제1 전도성 기판(110)은 제1 투명 기판(112) 및 제1 도전층(114)의 적층 구조로 이루어지며, 상기 제1 도전층(114) 위에는 반도체 전극(130)이 형성되어 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전층(114)은 FTO로 이루어질 수 있다. The first
도 4에 예시된 염료감응 태양전지(400)에서, 외부로부터의 빛이 제1 투명 기판(112) 또는 제2 투명 기판(152)을 통해 내부로 입사되면, p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조(260)의 n-p 계면에서, 그리고 상기 반도체 전극(130)의 염료 분자가 코팅된 금속 산화물 반도체층에서 금속 산화물 입자들간의 계면에서 각각 전자 및 정공이 생성된다. n형 CdS층(264) 및 n형 ZnO:Al층(266)에서 생성된 전자는 상기 제4 도전층(168)을 거쳐 대향 전극(170)까지 이동된다. 상기 대향 전극(170)까지 이동된 전자는 전자 부족 상태에 있는 전해질층(190)으로 전달된다. 또한, 상기 반도체 전극(130)의 금속 산화물 반도체층으로 전달된 전자는 상기 제1 전도성 기판(110)으로부터 상기 제2 전도성 기판(150)까지 연결된 외부 회로(도시 생략)을 돌아서 상기 제2 투명 기판(152)상에 형성된 제3 도전층(154) 쪽으로 이동한다. 그 후, p형 CIS 화합물 반도체층(262)에서 생성된 정공과 함께 사라진다. In the dye-sensitized
상기 반도체 전극(130)에서 전자 전이의 결과로 산화된 염료 분자는 전해질층(190) 내의 요오드 이온의 산화 환원 작용(3I- → I3 - + 2e-)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 상기 대향 전극(170)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 상기 염료감응 태양전지(400)의 작동 과정이 완성된다. Results The dye molecules oxidized by the electron transition from the
제조예Production Example
본 예에서는 도 4에 예시된 구조와 유사하게 대향 전극측의 기판으로서 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조를 포함하는 기판을 사용하는 염료감응 태양전지를 제조한 예를 설명한다. In this example, an example of manufacturing a dye-sensitized solar cell using a substrate including a tandem structure including a p-n junction diode as a substrate on the opposite electrode side similar to the structure illustrated in FIG. 4 will be described.
먼저, MOVCD (metal organic chemical vapor deposition) 공정을 이용하여 유리 기판상에 Mo층, p형 CIS 화합물 반도체층, n형 CdS층, 및 n형 ZnO:Al층을 각각 차례로 형성하였다. 특히, 빛을 흡수하는 p형 CIS 화합물 반도체층은 약 2 ㎛의 두께로 형성하였다. 그 후, 스프레이 코팅 공정을 이용하여 상기 n형 ZnO:Al층 위에 약 1.5 ㎛의 두께를 가지는 FTO층을 형성하였다. 상기 FTO층 위에 H2PtCl6·xH2O (hydrogen hexachloroplatinate (IV) hydrate: Aldrich, 99.9%) 2-프로판올 용액을 을 뿌린 후, 400 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 대향 전극을 형성하였다. First, a Mo layer, a p-type CIS compound semiconductor layer, an n-type CdS layer, and an n-type ZnO: Al layer were sequentially formed on a glass substrate by using a metal organic chemical vapor deposition (MOVCD) process. In particular, the light absorbing p-type CIS compound semiconductor layer was formed to a thickness of about 2 μm. Thereafter, a FTO layer having a thickness of about 1.5 μm was formed on the n-type ZnO: Al layer by using a spray coating process. H 2 PtCl 6 · xH 2 O (hydrogen hexachloroplatinate (IV) hydrate: Aldrich, 99.9%) 2-propanol solution was sprayed on the FTO layer, followed by heat treatment at 400 ° C. for 30 minutes to form a counter electrode.
반도체 전극을 형성하기 위하여, 전도성 유리 기판 위에 금속 산화물 반도체층을 코팅하였다. 상기 금속 산화물 반도체층은 약 12 ∼ 20 nm의 입경 사이즈를 사지는 이산화티탄 입자들로 형성하였다. 상기 금속 산화물 반도체층은 약 5 ∼ 15 ㎛의 두께로 형성하였다. 상기 금속 산화물 반도체층의 표면에 루테늄 착체로 이루어지는 염료 분자를 화학적으로 흡착시켰다. 전해질 용액으로서 요오드계 산화-환원 액체 전해질을 사용하였다. 본 예에서는 0.6 M의 1-헥실-3-다이메틸 이미다졸리움 아이오다이드, 0.03 M의 I2, 0.5 M t-부틸피리딘, 0.1 M의 구아니디움 티오시아네이트를 에세토니트릴과 발레로니트릴을 섞은 혼합 용매에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액을 전해질로 사용하였다. In order to form the semiconductor electrode, a metal oxide semiconductor layer was coated on the conductive glass substrate. The metal oxide semiconductor layer was formed of titanium dioxide particles having a particle size of about 12 to 20 nm. The metal oxide semiconductor layer was formed to a thickness of about 5 to 15 μm. The dye molecule which consists of a ruthenium complex was chemically adsorb | sucked to the surface of the said metal oxide semiconductor layer. An iodine-based redox liquid electrolyte was used as the electrolyte solution. In this example, 0.6 M of 1-hexyl-3-dimethyl imidazolium iodide, 0.03 M of I 2 , 0.5 M t-butylpyridine, and 0.1 M of guanidium thiocyanate were added to the acetonitrile and valerian. I 3 which mixed solvent a mixture of acetonitrile - / I - electrolyte solution was used as an electrolyte.
상기와 같이 제조된 염료감응 태양전지는 FF (fill factor) 65 %, 개방전압 1.13 V, 단락 전류, 13 mA/cm2로, 약 9.5 %의 에너지 변환 효율을 나타냈다. The dye-sensitized solar cell manufactured as described above had an energy conversion efficiency of about 9.5% with a fill factor of 65%, an open voltage of 1.13V, a short circuit current, and 13 mA / cm 2 .
대조예로서, 대향 전극측의 기판으로서 p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조를 포함하지 않는 기판을 사용한 경우, 즉, FTO가 코팅된 유리 기판상에 Pt 전극을 형성한 것을 제외하고 상기 제조예와 동일한 구조를 가지는 염료감응 태양전지의 경우에는, 개방 전압이 약 0.7 V 전후의 값을 나타내고, 에너지 변환 효율은 약 6 %이었다. As a control example, a substrate having no tandem structure including a pn junction diode was used as the substrate on the opposite electrode side, i.e., except that a Pt electrode was formed on a glass substrate coated with FTO. In the case of the dye-sensitized solar cell having the structure, the open circuit voltage showed a value of about 0.7 V, and the energy conversion efficiency was about 6%.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the main configuration of the dye-sensitized solar cell according to the first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view showing the main configuration of the dye-sensitized solar cell according to the second embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view showing the main components of the dye-sensitized solar cell according to the third embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view showing the main components of the dye-sensitized solar cell according to the fourth embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100, 200, 300, 400: 염료감응 태양전지, 110: 제1 전도성 기판, 112: 제1 투명 기판, 114: 제1 도전층, 120: p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조, 128: 제2 도전층, 130: 반도체 전극, 150: 제2 전도성 기판, 152: 제2 투명 기판, 154: 제3 도전층, 160: p-n 접합 다이오드를 포함하는 탠덤 구조, 168: 제4 도전층, 170: 대향 전극, 180: 격벽, 190: 전해질층, 220: 탠덤 구조, 222: n형 a-Si층, 224: i형 a-Si층, 226: p형 a-Si층, 260: 탠덤 구조, 262: p형 CIS 화합물 반도체층, 264: n형 CdS층. 266: n형 ZnO:Al층. 100, 200, 300, 400: dye-sensitized solar cell, 110: first conductive substrate, 112: first transparent substrate, 114: first conductive layer, 120: tandem structure including pn junction diode, 128: second conductive Layer, 130: semiconductor electrode, 150: second conductive substrate, 152: second transparent substrate, 154: third conductive layer, 160: tandem structure comprising a pn junction diode, 168: fourth conductive layer, 170: counter electrode 180: bulkhead, 190: electrolyte layer, 220: tandem structure, 222: n-type a-Si layer, 224: i-type a-Si layer, 226: p-type a-Si layer, 260: tandem structure, 262: p Type CIS compound semiconductor layer, 264: n type CdS layer. 266: n-type ZnO: Al layer.
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