JP4287344B2 - 染料感応太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は染料感応太陽電池に関し、より詳細には光転換効率及び耐久性を向上させることができる染料感応太陽電池に関する。
染料感応太陽電池は太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、光合成原理を応用した電池である。染料感応太陽電池は既存のシリコン太陽電池に比べて工程が容易で製造単価が安いという長所がある。
染料感応太陽電池の中で代表的な研究開発としては１９９１年スイス国立ローザンヌ工科大学（EPFL）のマイケル・グレッツェル（Michael Gratzel）の研究がある。グレッツェル研究チームにより出願された特許である米国特許４，９２７，７２１号と米国特許５，０８４、３６５号は光電気化学電池に関する特許であって、金属酸化物半導体電極膜の表面粗度を制限する特許である。
韓国内ではETRIのPark Nam-Kyu博士チームによる特許出願として、韓国公開番号第２００１-０１１１３７９号、公開番号第２００２-００４３９４５号、公開番号第２００２-００７８２９１号、公開番号第２００３-００３２５３８号がある。
この中で公開番号第２００１-０１１１３７９号では、ルチルTiO２フィルムの形成方法及びルチル酸化チタン太陽電池を製造する方法を提供する。
公開番号第２００２-００４３９４５号はTiO２を含む高分子電解質及びその製造方法に関する。前記高分子電解質はビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体及びチタニアを含む。
公開番号第２００２-００７８２９１号は太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。直列及び並列に組立てる時、太陽電池の間の間隔を最少化して電力損失を最少化することができる電池及びモジュール製造方法に関する。公開番号第２００３-００３２５３８号は遷移金属酸化物にチタノシリカライト-２を混合して光転換効率を改善する特許である。
しかし、染料感応太陽電池は光転換効率と耐久性が低いため、商品化するのには問題がある。したがって、光転換効率と耐久性を向上させることが要求される。
本発明は前記問題点を解決するためのものであって、その目的は、光転換効率を向上させながら耐久性に優れた染料感応太陽電池を提供することにある。
本発明の一実施例による染料感応太陽電池は第１電極と第２電極が互いに対向配置され、第１電極の一面にバッファー層、多孔質膜が形成され、前記多孔質膜には染料が吸着される。第１電極と第２電極との間の空間には電解質が充填される。前記第１電極の他の一面には反射防止膜を形成することができる。
前記バッファー層のエネルギー準位は前記第１電極のエネルギー準位以上であり、前記多孔質膜のエネルギー準位以下であり得る。この時、前記多孔質膜はTiO２からなり、前記バッファー層はTiO２、WO３、及びTiO２-WO３の一つからなることができる。
前記バッファー層は蒸着、電気分解、湿式法のうちのいずれか一つの方法によって形成することができる。前記バッファー層は前記多孔質膜よりさらに緻密な構造を有することができる。
前記多孔質膜はナノメートル単位の粒径を有する遷移金属酸化物の粒子からなることができる。
前記多孔質膜はTi酸化物、Zr酸化物、Sr酸化物、Zn酸化物、Ir酸化物、La酸化物、V酸化物、Mo酸化物、W酸化物、Sn酸化物、Nb酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Y酸化物、Sc酸化物、Sm酸化物、Ga酸化物、In酸化物及びSrTi酸化物のうちのいずれか一つまたはこれらの組み合わせからなることができる。
前記多孔質膜は前記多孔質膜構成酸化物と同一物質を含む光散乱子（light scattering particles）を含むことができ、前記光散乱子の平均粒径は１００ｎｍ以上の範囲に属することができる。前記多孔質膜は導電性微粒子を含むことができ、前記多孔質膜はポリエチレングリコール（PEG）、ポリエチレンオキシド（PEO）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリビニルピリドン（PVP）のうちのいずれか一つの高分子を含むことができる。
前記多孔質膜の粒子は平均粒径が１００ｎｍ以下の範囲に属することができ、１０〜４０ｎｍの範囲に属するのが好ましい。前記多孔質膜は２０以上の表面粗度を有することができる。
前記染料はRu錯体を含むことができる。
前記第１電極はポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリカーボネート（PC）、ポリプロピレン（PP）、ポリイミド（PI）、トリアセテートセルロース（TAC）のうちのいずれか一つを含む透明な基板と、前記基板にコーティングされ、インジウムスズ酸化物（ITO）、フルオロティン酸化物（FTO）、ZnO-Ga２O３、ZnO-Al２O３、SnO２-Sb２O３のうちのいずれか一つを含む電導性フィルムを含むことができる。
前記第２電極はポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリカーボネート（PC）、ポリプロピレン（PP）、ポリイミド（PI）、トリアセテートセルロース（TAC）のうちのいずれか一つを含む透明な基板と、前記基板にコーティングされ、インジウムスズ酸化物（ITO）、フルオロティン酸化物（FTO）、ZnO-Ga２O３、ZnO-Al２O３、SnO２-Sb２O３のうちのいずれか一つを含む第１電導性フィルム、そして前記第１電導性フィルム上にコーティングされ、Ptまたは貴金属物質を含む第２電導性フィルムを含むことができる。
本発明による染料感応太陽電池は、第１電極と多孔質膜との間の界面にバッファー層を形成することによって電解質と電極との接触を防止する。そして、第１電極と多孔質膜との接触性を改善して多孔質膜の剥離を防止する。したがって、太陽電池の電気的特性、耐久性及び効率が向上する長所がある。
また、第１電極の反射防止膜を形成して太陽光が反射によって損失されることを最少化し、太陽電池内部に太陽光を吸収させることによって太陽電池の効率が向上する効果がある。
さらに、多孔質膜がナノメートル水準の粒径を有する粒子からなるので、多孔質膜の表面積及び多孔性を確保することができる。また、多孔質膜が導電性微粒子及び光散乱子を含んで効率が向上する効果がある。
以下、添付した図面を参照して本発明の一実施例による染料感応太陽電池について詳細に説明する。
図１は本発明による染料感応太陽電池の一実施例を示した断面図である。
図１に示されているように、染料感応太陽電池は第１電極（working electrode、半導体電極）１０と第２電極（counter electrode、対向電極）２０が所定の間隔をおいて互いに対向配置され、第２電極２０に対向する第１電極１０面にはバッファー層３０と多孔質膜４０が順次に形成され、多孔質膜４０には染料５０が吸着される。バッファー層３０と第２電極２０との間の空間には電解質６０が形成される。本実施例による染料感応太陽電池は第１電極１０の外面に反射防止膜７０を形成することができる。
第１電極１０は、透明な基板１１と、前記基板１１にコーティングされる電導性フィルム１２とを含む。基板１１は、ポリエチレンテレフタレート（以下、PETと言う）、ポリエチレンナフタレート（以下、PENと言う）、ポリカーボネート（以下、PCと言う）、ポリプロピレン（以下、PPと言う）、ポリイミド（以下、PIと言う）、トリアセテートセルロース（以下、TACと言う）のうちのいずれか一つを含む。電導性フィルム１２は、インジウムスズ酸化物（以下、‘ITO’と言う）、フルオロティン酸化物（以下、‘FTO’と言う）ZnO-Ga２O３、ZnO-Al２O３、SnO２-Sb２O３のうちのいずれか一つを含む電導性フィルム１２を含む。
このような多孔質膜４０はナノメートル水準の粒径を有する遷移金属酸化物を含んでなる。
つまり、多孔質膜はTi酸化物、Zr酸化物、Sr酸化物、Zn酸化物、Ir酸化物、La酸化物、V酸化物、Mo酸化物、W酸化物、Sn酸化物、Nb酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Y酸化物、Sc酸化物、Sm酸化物、Ga酸化物、In酸化物、及びSrTi酸化物のうちの一つまたは二つ以上の複合物からなることができる。
多孔質膜４０を構成するナノメートル水準の粒子は、高い多孔性と適切な表面粗度のために均一な粒径を有しなければならない。
多孔質膜４０の粒子は平均粒径が１００ｎｍ以下であり得る。多孔質膜４０は一例としてTiO２からなることができ、この時、TiO２の粒径が１０ｎｍ以下と小さすぎれば、接着力が弱いため安定な多孔質膜４０を形成することができない。これに反し、TiO２の粒径が４０ｎｍを超えると、染料が吸着できる表面積が減少して光電変換効率が落ちる。したがって、工程性と効率を考慮すれば、多孔質膜４０の粒子は平均粒径が１０〜４０ｎｍであるのが好ましい。そして、多孔質膜４０の表面粗度は２０以上であるのが好ましい。
多孔質膜４０は、遷移金属酸化物を含むペーストを第１電極の内面にコーティングした後、熱処理することによって形成される。
ペーストをコーティングするためには一般にドクターブレードまたはスクリーン印刷などの方法が用いられ、多孔質膜４０を透明膜で形成するためにはスピンコーティングまたはスプレー方法を適用することができる。この他にも一般的な湿式コーティング方法を適用することができる。コーティング法によってペーストの物性が少しずつ変わる。
ペーストの熱処理は、バインダーを添加した場合には４５０〜６００℃で３０分間行い、バインダーを添加しなかった場合には２００℃以下で行う。
また、多孔質膜４０は多孔性を維持するために高分子を含むことができるが、この時、熱処理後に有機物が残存しない高分子を選択することができる。適した高分子としては、ポリエチレングリコール（PEG）、ポリエチレンオキシド（PEO）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリビニルピリドン（PVP）などがある。このような高分子は塗布法などの塗布条件を考慮して適した分子量を有するものを選択して添加すればよい。高分子は多孔質膜４０の多孔性を向上させ、分散性及び粘度を増加させて成膜性、基板との付着力などを向上させることができる。
このような多孔質膜４０は導電性微粒子または光散乱子を含むことができる。導電性微粒子は電子の移動を容易にする役割を果たすもので、ITOなどからなることができる。光散乱子は光路を延長させて光転換効率を向上させる役割を果たすもので、多孔質膜を構成する物質と同一物質であってもよく、平均粒径を１００ｎｍ以上に形成されることができる。
多孔質膜４０の粒子表面には染料５０が吸着されている。染料５０は可視光を吸収することができる物質からなり、Ru錯体を含むことができる。Ruは白金族に属する元素で、多くの有機金属複合化合物を作ることができる元素である。
太陽電池用で適した染料として最も一般的なものはRu(etcbpy)２(NCS)２・２CH３CNタイプである。ここでetcは(COOEt)２または(COOH)２で、多孔質膜（例えばTiO２）表面と結合することができる反応基である。この他にも可視光内の長波長吸収を改善して効率を向上させる染料及び電子放出が容易な新たなタイプの染料を開発しており、染料の反応基を改善して電子と正孔との再結合を防止し、効率を向上させようとしている。
また、染料感応太陽電池の染料として有機色素に関する研究も進められている。有機色素としてはクマリン（coumarin）、ポルフィリン（porphyrin）、キサンテン（xanthene）、リボフラビン（riboflavin）、トリフェニルメタン（triphenylmethane）などがある。有機色素は単独で またはRu錯体と混合して使用することができる。有機色素は安価でありながら素材が豊富であるので高い活用可能性を有している。また、有機色素を使用することによって長波長の可視光吸収を改善することができ、効率を向上させることができる。
染料５０を溶解したアルコール溶液に多孔質膜４０が塗布された第１電極１０を１２時間程度浸漬させることによって多孔質膜４０に染料５０を吸着させることができる。
前記第１電極１０と多孔質膜４０との間にはバッファー層３０が形成される。バッファー層３０は蒸着、電気分解、湿式法のうちのいずれか一つの方法で形成することができる。
バッファー層３０はエネルギー準位が第１電極１０のエネルギー準位以上、多孔質膜４０のエネルギー準位以下である物質からなる。バッファー層３０は多孔質膜４０と同一物質または多孔質膜４０を構成する物質を含む複合物質からなることができる。例えば、多孔質膜４０はTiO２からなり、バッファー層３０はTiO２、TiO２-WO３またはWO３からなることができる。
図２aは第１電極の表面を撮影した走査電子顕微鏡写真であり、図２bは第１電極に形成されたバッファー層の表面を撮影した走査電子顕微鏡写真である。図２bのバッファー層３０はTiO２-WO３からなる。
図２aに示したように、第１電極１０の表面は滑らかでなく、表面段差が激しい。第１電極１０の表面に多孔質膜を形成すれば、界面での接触性が悪い。したがって、電気的特性と耐久性が低下することがある。
図２bに示したように、バッファー層３０の表面は滑らかで表面段差がほとんどない。バッファー層３０は多孔質膜４０より緻密であるために第１電極１０と多孔質膜４０の接触性を改善する。そして、バッファー層３０は電解質６０が第１電極１０に直接接触することを遮断して、電気的断路（electric disconnection）を防止する。したがって、そのために染料感応太陽電池の電気的特性、耐久性及び効率を向上させることができる。
また、バッファー層３０は第１電極１０のエネルギー準位以上、多孔質膜４０のエネルギー準位以下である物質からなる。したがって、バッファー層３０は第１電極１０と多孔質膜４０のエネルギー準位を均衡化させる役割を果たす。電子と正孔との再結合を防止して染料感応太陽電池の効率を向上させる。
図３はバッファー層を形成した場合と形成しなかった場合に対して電圧と電流密度の関係を示したグラフである。
図３に示したように、バッファー層を形成しなかった場合（B）よりバッファー層を形成した場合（A）に染料感応太陽電池の電流密度が増加することが分かる。つまり、バッファー層を形成した場合（A）に染料感応太陽電池の効率が向上することが分かる。
そして、第１電極１０の外面には反射防止膜７０を形成することができる。このような反射防止膜７０は外部から照射される太陽光線の反射を減らし、染料感応太陽電池内部の太陽光線は染料感応太陽電池の内部に再反射させる。したがって、反射防止膜７０は光量の損失を最少化し、光吸収を増加させる役割を果たす。
図４は反射防止膜を形成した場合及び形成しなかった場合に対して波長と反射率の関係を示したグラフであり、図５は反射防止膜を形成した場合及び形成しなかった場合に対して電圧と電流に対する関係を示したグラフである。
図４に示したように、反射防止膜を形成した場合（C）が反射防止膜を形成しなかった場合（D）より可視光領域での全反射率が低いことが分かる。そして、図５に示したように、反射防止膜を形成した場合（E）が反射膜を形成しなかった場合（F）より電流及び電圧がさらに高いことが分かる。つまり、反射防止膜により太陽電池の効率が向上することが分かる。
そして、第１電極１０と対向配置される第２電極２０は透明な基板２１、この基板２１にコーティングされる第１電導性フィルム２２及び第１電導性フィルム２２にコーティングされる第２電導性フィルム２３を含む。基板２１はPET、PEN、PC、PP、PI、TACのうちのいずれか一つを含み、第１電導性フィルム２２はITO、FTO、ZnO-Ga２O３、ZnO-Al２O３、SnO２-Sb２O３のうちのいずれか一つを含む。そして、第２電導性フィルム２３はPtまたは貴金属物質を含むことができる。
電解質６０は第１電極１０と第２電極２０との間の空間に充填される。より詳細には、電解質６０はバッファー層３０と第２電極２０との間の空間で多孔質膜４０の粒子の間に均一に分散されている。電解質６０はヨウ化物（iodide）/三ヨウ化物（triiodide）の対で、酸化及び還元によって第２電極２０から電子を受けて染料に伝達する役割を果たす。太陽電池の電圧は染料のエネルギー準位と電解質の酸化及び還元準位の差によって決められる。
本発明による染料感応太陽電池は前記の第１電極１０及び第２電極２０を接着剤８０aを使用して互いに接合させた後、第１電極１０及び第２電極２０を貫通する微細ホールを形成し、このホールを通じて二つの電極の間の空間に電解質６０溶液を注入した後、再びホールの外部を接着剤８０bで密封して形成される。
接着剤８０a、８０bとしては熱可塑性高分子フィルムを使用することができるが、例えば商品名Surlyn（登録商標）がある。このような熱可塑性高分子フィルムを二つの電極の間に位置させた後、加熱圧着して密閉する。
接着剤の他の種類としてはエポキシ樹脂または紫外線（UV）硬化剤があり、この場合、熱処理またはUV処理後に、硬化させることもできる。
染料感応太陽電池内に太陽光線が入射されれば光量子は染料に吸収され、励起状態になった染料の酸化によって生成された電子が多孔質膜を経て第１電極に移動する。そして、この電子は外部回路に流れた後、第２電極に移動する。電解質は酸化還元によって対向電極から電子を受けて染料に再び伝達する。このような電子の移動によって太陽電池が作動する。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。
１０ 第１電極
１１ 基板
１２ 電導性フィルム
２０ 第２電極
２１ 基板
２２ 第１電導性フィルム
２３ 第２電導性フィルム
３０ バッファー層
４０ 多孔質膜
５０ 染料
６０ 電解質
７０ 反射防止膜
８０a、８０b 接着剤
１１ 基板
１２ 電導性フィルム
２０ 第２電極
２１ 基板
２２ 第１電導性フィルム
２３ 第２電導性フィルム
３０ バッファー層
４０ 多孔質膜
５０ 染料
６０ 電解質
７０ 反射防止膜
８０a、８０b 接着剤
Claims (17)
- 互いに対向配置される第１電極及び第２電極と、
前記第１電極の一面に形成されるバッファー層と、
前記第１電極の他の一面に形成される反射防止膜と、
前記バッファー層上に形成される多孔質膜と、
前記多孔質膜に吸着された染料と、
前記第１電極と第２電極との間の空間に充填された電解質と、
を含む染料感応太陽電池。 - 前記バッファー層のエネルギー準位が前記第１電極のエネルギー準位以上で、前記多孔質膜のエネルギー準位以下である、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜がTiO２からなり、前記バッファー層がTiO２、WO３、及びTiO２-WO３のうちの一つからなる、請求項２に記載の染料感応太陽電池。
- 前記バッファー層が蒸着、電気分解、湿式法のうちのいずれか一つの方法によって形成されたものである、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記バッファー層が前記多孔質膜よりさらに緻密な構造を有する、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜がナノメートル単位の粒径を有する遷移金属酸化物粒子からなる、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜がTi酸化物、Zr酸化物、Sr酸化物、Zn酸化物、Ir酸化物、La酸化物、V酸化物、Mo酸化物、W酸化物、Sn酸化物、Nb酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Y酸化物、Sc酸化物、Sm酸化物、Ga酸化物、In酸化物及びSrTi酸化物のうちのいずれか一つまたはこれらの組み合わせからなる、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜が前記多孔質膜構成酸化物と同一物質を含む光散乱子を含む、請求項７に記載の染料感応太陽電池。
- 前記光散乱子の平均粒径が１００ｎｍ以上の範囲に属する、請求項８に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜が導電性微粒子を含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜がポリエチレングリコール（PEG）、ポリエチレンオキシド（PEO）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリビニルピリドン（PVP）のうちのいずれか一つの高分子を含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜の粒子の平均粒径が１００ｎｍ以下の範囲に属する、請求項６に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜の粒子の平均粒径が１０〜４０ｎｍの範囲に属する、請求項１２に記載の染料感応太陽電池。
- 前記多孔質膜が２０以上の表面粗度を有する、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記染料がRu錯体を含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記第１電極がポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリカーボネート（PC）、ポリプロピレン（PP）、ポリイミド（PI）、トリアセテートセルロース（TAC）のうちのいずれか一つを含む透明な基板と、前記基板にコーティングされ、インジウムスズ酸化物（ITO）、フルオロティン酸化物（FTO）、ZnO-Ga２O３、ZnO-Al２O３、SnO２-Sb２O３のうちのいずれか一つを含む電導性フィルムを含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
- 前記第２電極がポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリカーボネート（PC）、ポリプロピレン（PP）、ポリイミド（PI）、トリアセテートセルロース（TAC）のうちのいずれか一つを含む透明な基板と、前記基板にコーティングされ、インジウムスズ酸化物（ITO）、フルオロティン酸化物（FTO）、ZnO-Ga２O３、ZnO-Al２O３、SnO２-Sb２O３のうちのいずれか一つを含む第１電導性フィルム、そして前記第１電導性フィルム上にコーティングされ、Ptまたは貴金属物質を含む第２電導性フィルムを含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池。
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