JP5550540B2 - 染料感応太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本明細書は染料感応太陽電池モジュール及びその製造方法に関することで、特に酸化物ナノ粒子表面に選択的な印刷の可能な溶液を含む染料感応太陽電池モジュール及びその製造方法に関することである。
最近エネルギーの需要が増加することにより、太陽光エネルギーを電気エネルギーへ変換させる太陽電池などに対する開発が進行されている。このような太陽電池などにはCIGS(Copper Indium Gallium (di)Selenide)太陽電池、シリコン系列太陽電池、染料感応太陽電池、半導体太陽電池などがある。
一般的に太陽電池は外部から入ってきた光によって太陽電池の半導体内部で電子と正孔の双が生成されて、このような電子と正孔の双でpn接合に発生した電気場によって電子はｎ型半導体へ移動して正孔はｐ型半導体へ移動することで電力を生成する。
太陽電池は異なるエネルギー源とは違って太陽光という無限の資源を元と親環境的で、１９８３年Si太陽電池を開発した以後、最近には全世界的なエネルギー難によって脚光を浴びている。
しかし、このようなシリコン太陽電池はSi原材料の需給問題による国家間の競争が激しくて、これによって制作単価が高価である。これを解決するために国外、国内の多くの研究機関で自救策を提示しているが、難しいのが現実の状況である。このような深刻なエネルギー難を解決することができる対案の中の一つとしては、染料感応太陽電池があり、これは１９９１年スイスの国立ロザン高等技術院（EPEL）のマイケル・グレッツェル 博士の研究チームによって開発された。
染料感応太陽電池はシリコン太陽電池とは異なって可視光線を吸収して電子−ホールの対（electron-hole pair）を生成することができる感光性染料分子及び生成された電子を伝達する転移金属酸化物を主な構成材料とする光電気化学的太陽電池である。
この染料感応太陽電池は既存のシリコン太陽電池に比べて製造単価が低廉で、透明な電極によって建物外壁のガラス窓かガラス温室などに応用が可能な利点がある。
染料感応太陽電池の電子伝達の体系は光によって励起された染料分子でホール−電子対（hole-electron pair）が生成されて、これらの電子−ホール対の中で一部の電子は金属酸化物ナノ粒子などの間の界面によって形成される拡散経路に乗じて一つの透明電極（以下、“透明陰極電極”という）へ拡散により移動する。透明陰極電極に到達した電子はその電極を通じて抵抗（即ち、負荷として外部回路）へ移り、反面、残りの電子は異なる透明電極（以下、透明陽極電極）方へ移動して金属酸化物ナノ粒子などと透明陽極電極間の電解質の酸化還元の反応によってまた染料分子の方へ戻るようになる。このような電子伝達体系から太陽電池の効率に影響を及ぶ要素は染料分子の励起状態で電子−正孔の分離が容易で、発生された電子は抵抗で金属酸化物ナノ粒子などの間の経路を通じて透明陰極電極まで移動すべきであるが、特に、このような電子拡散経路の中で欠陥のある場合には電子の損失が発生する。一般的に使われる金属酸化物ナノ粒子の直径が１０乃至２０ｎｍであり、金属酸化物の総厚さが１０乃至１５μｍである点を勘案すると、電子の拡散経路に欠陥が発生されるしかない。
従来にこのような問題を解決するために、単位素子型の太陽電池では数から数十ナノメータである金属酸化物膜をナノ粒子の表面に成膜してこのような短所を克服しているが、後処理溶液で一般的に使われるTiO2水溶液は低い粘度によって選択的な成膜が不可能で単位素子型の染料感応太陽電池では適用可能であるが、金属電極層がセル間の電極をなしている染料感応太陽電池モジュールでは電極に金属酸化物が塗布されてモジュール内部の抵抗を増加させてむしろ変換効率を減少させる要因となってモジュールでは適用されなくている。
従って、選択的に願う領域だけ印刷の可能な成膜用の金属酸化物溶液があると、現在の太陽電池モジュールの変換効率を大きく増加させることができて、染料感応太陽電池の致命的な短所である大面積の際の変換効率減少の問題を解決することができると思われる。
前記のような問題点を克服するために、実施例は選択的に願う領域だけ印刷の可能な成膜用の金属酸化物溶液を含む染料感応太陽電池モジュール及びその製造方法を提供しようとする。
一実施例による染料感応太陽電池モジュールは、 第１基板；前記第１基板上に配置される第１電極；前記第１電極上に配置される遮断膜；前記遮断膜上に配置されるナノ粒子など；前記ナノ粒子などの各々を囲むフィルムなど；前記ナノ粒子などの上に配置される第２電極を含む第２基板；前記第１電極と前記第２電極の間に介在される電解質；及び前記第１電極と前記第２電極を連結する金属電導線を含むことを特徴とする。
一実施例による染料感応太陽電池モジュールの製造方法は、 第１基板上に第１電極を形成する段階；前記第１電極上に金属電導線を形成する段階；前記第１電極上に遮断膜を形成する段階；前記遮断膜上にナノ粒子などを形成する段階；前記ナノ粒子などの各々を囲むフィルムなどを形成する段階；前記ナノ粒子など上に配置される第２電極を含む第２基板を形成する段階；及び前記第１電極と前記第２電極の間に電解質を注入する段階を含んで、前記フィルムなどは粘性を有する二酸化チタニウム有機―ゾル溶液の存在下で形成されることを特徴とする。
実施例による染料感応太陽電池モジュールは選択的な印刷が可能な成膜用の金属酸化物溶液を含んで、染料感応太陽電池モジュールの変換効率を大幅に増加させることができ、染料感応太陽電池の短所である大面積際の変換効率減少の問題を解決することができる。
また、前記成膜用の金属酸化物溶液は透明電極の電導度に影響を与えなくて、透明電極の間のシーラントに影響を与えなく、金属酸化物ナノ粒子の表面に選択的な印刷の可能である。
［実施例１］
実施例の説明において、各基板、膜、電極または層などが各基板、膜、電極または層などの“上（on）”にまたは“下（under）”に形成されることで記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は “直接（directly）”または“異なる構成要素を介在して（indirectly）”形成されることを含む。
実施例の説明において、各基板、膜、電極または層などが各基板、膜、電極または層などの“上（on）”にまたは“下（under）”に形成されることで記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は “直接（directly）”または“異なる構成要素を介在して（indirectly）”形成されることを含む。
また、各構成要素の上または下に対する基準は図面を基準と説明する。図面での各構成要素などの大きさは説明のために誇張されることができ、実際に適用される大きさを意味することではない。
以下では添付された図面を参照して、本発明による実施例を詳細に説明する。
図１は実施例による染料感応太陽電池モジュールの断面図である。図２は実施例による染料感応太陽電池モジュールで単位セルを示した断面図である。
図１及び図２を参照すると、一実施例による太陽電池モジュールは第１基板１００、第１電極２００、遮断膜２１０、光吸収層３００、第２電極４００、第２基板５００、シーラント６００及び金属電導線７００を含む。前記光吸収層３００は染料３１０、ナノ粒子３２０、フィルム３５０及び電解質３３０を含む。前記第２電極４００は触媒電極４１０及び透明電極４２０を含む。
第１基板１００は透明で、絶縁体である。第１基板１００は、例えば、ガラス基板、石英基板、またはプラスチック基板の可能性もある。ここで、前記プラスチック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）、トリアセチルセルロース（TAC）または、これらの共重合体などを含むが、これに制限されない。また、前記第１基板１００はチタニウム、インジウム、ガリウム及びアルミニウムになられた群で選択される物質でドーピングされることもある。
第１電極２００は前記第１基板１００上に配置される。前記第１電極２００は伝導性金属酸化膜を含むことができる。前記電導性金属酸化膜は インジウムスズオキサイド（ITO）、フローリンスズオキサイド（FTO）、ZnO-(Ga2O3 またはAl2O3)、スズ係複合酸化物など、アンチモンスズオキサイド（ATO）、酸化亜鉛（ZｎO）及びこれらの混合物になられた群から選択されることができ、より好ましくはF:SnO2 を使用することができる。
遮断膜２１０は第１電極２００上に配置される。前記遮断膜２１０は金属酸化物で形成されることができる。前記遮断膜２１０は二酸化チタニウムで形成されることができる。前記遮断膜２１０は以後に形成されるナノ粒子３２０との接触力を向上させることができる。
光吸収層３００は前記第１電極２００上に配置される。前記光吸収層３００は染料３１０、ナノ粒子３２０、フィルム３５０及び電解質３３０を含む。
前記ナノ粒子３２０はシリコンと代表される半導体外に、化合物半導体またはペロブスカイト構造を有する化合物であることがある。
前記半導体としては光励起下で伝導帯の電子がキャリアーとなり、アノード電流を提供するｎ型半導体の可能性もある。また、前記化合物半導体としてはチタニウム、スズ、亜鉛、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、インジウム、イットリウム、ニオブ、タンタル、バナジウムとなられた群から選択される金属酸化物を使用することができる。好ましくは、その例と、酸化チタニウム、酸化朱錫、酸化亜鉛、酸化ニオブ、酸化チタンストロンチウムまたはこれらの混合物があげられる。より好ましくは、その例として、アナタ−ゼ型の酸化チタニウムなどがあげられる。前記半導体の種類はこれらにげんていされることではなくて、これらを単独または二つ以上を混合して使用することもできる。
一実施例では、前記ナノ粒子３２０は金属酸化物ナノ粒子であることもでき、前記金属酸化物ナノ粒子は二酸化チタニウムナノ粒子であることがある。
また、前記ナノ粒子３２０の直径は平均１ｎｍ乃至５００ｎｍ程度のこともあり、好ましくは１ｎｍ乃至１００ｎｍのこともある。更に好ましくは１０ｎｍ乃至２０ｎｍのこともある。また、前記ナノ粒子３２０は大きい直徑のものと小さい粒径のものと混合するか多層に使用することもできる。
前記したところのように前記ナノ粒子３２０が金属酸化物ナノ粒子である場合には、前記金属酸化物ナノ粒子などは前記遮断膜２１０上に金属酸化物ナノ粒子薄膜の形態で提供される。前記金属酸化物なの粒子薄膜は金属酸化物ナノ粒子をスプレーすることによって直接に遮断膜２１０上に形成されるか、前記第１基板（即ち、第１電極２００）を電極とする電気的析出方法で前記遮断膜２１０上の金属酸化物ナノ粒子の薄膜が析出されるか、金属酸化物ナノ粒子のスラリーまたは金属酸化物ナノ粒子の前球体を加水分解することで得られる微粒子を含有するペーストを基板上に塗布した後、乾燥、軽化または塑性する方法などによって製造することができる。
フィルム３５０は前記ナノ粒子３２０の表面上に形成される。前記フィルム３５０は前記ナノ粒子３２０などの各々を囲むことができる。このような観点から、前記フィルム３５０は前記ナノ粒子など３２０の各々を囲む多数のキャップセル化された膜などで構成されることができる。フィルム３５０は金属酸化物で形成されることができて、前記金属酸化物は二酸化チタニウムであることがある。従って、前記金属酸化物フィルム３５０は前記金属酸化物ナノ粒子３２０などの間の界面で電子の損失が発生することを防止することができる。前記フィルム３５０については更に詳細に説明する。
前記フィルム３５０の表面には外部の光を吸収して励起電子を生成する染料３１０が吸着されることができる。
電解質３３０としては酸化還元（redox）電解質を使用することができる。具体的には、前記電解質３３０としてはハロゲン混合物及びハロゲン分子で構成されるハロゲン酸化還元系の電解質、フェロシアン酸塩―フェロシアン化物複合体（ferrocyanate-ferrocyanide ion complex）フェロセンーフェリシウムイオン、コバルト複合体を含む金属複合体などの金属酸化還元系の電解質、アルキルーチオールアルキルジスルフィド、 ビオロゲン染料、ハイドロキノンーキノンなどの有機酸化還元系の電解質などを使用することができる。また、前記電解質３３０としてはハロゲン酸化還元系の電解質が好ましい。
また、前記ハロゲン酸化還元系の電解質において、ハロゲン分子としてはヨード分子が好ましい。また、ハロゲン混合物としては LiI, NaI, CaI2, MgI2, CuIなどのハロゲン化金属塩、またはテトラアルキルアンモニウムヨード、イミダゾリウムヨード、ピリジニウムヨード塩などのハロゲンの有機アンモニウム、または I2を使用することができる。
また、酸化還元の電解質はこれを含む溶液の形態で構成されることができる。この際、前記溶液を構成する溶媒としては電気化学的に不活性であることが使用できる。具体的な例はアセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、３−メトキシプロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、エチレングリコール、プロピレングリコール、デエチレングリコール、トリエチレングリコール、ブチルローラクトン、デメトキシエタン、デメチルカーボネーと、１，３−デオキソラン、メチルポローメート、２−メチルテトラハイドロフラン、３−メトキシーオキサゾリデンー２−オン、 スルホラン、テトラハイドロフラン、水などを含むことができる。特に、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、３−メトキシプロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、３−メトキシーオキサゾリデンー２−オン、ブチルローラクトンなどが好ましい。このような溶媒などは１種または混合して使用することができる。
第２電極４００は前記光吸収層３００上に配置される。前記第２電極４００は触媒電極４１０及び透明電極４２０を含むことができる。
触媒電極４１０は酸化―還元双（redox couple）を活性させる役割をする。前期触媒電極４１０としては白金、金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、炭素、酸化チタン及び電導性高分子などの電導性物質を使用することができる。
透明電極４２０はインジウムスズオキサイド、フローリンスズオキサイド、アンチモンスズオキサイド、酸化亜鉛、酸化スズ、ZnO-(Ga2O3 またはAl2O3)などの透明物質となられる。
また、酸化還元の触媒効果を向上させる目的で第１電極２００と向かい合っている触媒電極４１０は微細構造を有して表面積を増加させることが好ましい。例えば、白金または金の場合、ブラック状態で、カーボンの場合、多孔質状態であることが好ましい。特に白金黒状態は白金の両極酸化法、塩化白金酸処理などによって形成されることができる。また、多孔質状態のカーボンはカーボン微粒子の焼結か有機ポリマーの塑性などの方法によって形成されることができる。
前記第２基板５００は前述した第１基板１００と同一に透明で、絶縁体である。 第２基板５００は、例えば、ガラス基板、石英基板またはプラスチック基板の可能性がある。前記プラスチックの具体的な例として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）、トリアセチルセルロース（TAC）などがあげられる。
シーラント６００は第１基板１００と第２基板５００の間に配置される。前記シーラント６００は単位セルを定義するように形成される。前記シーラント６００によって定義された単位セルには電解質の注入ホール（未図示）によって電解質３３０が注入される。前記シーラント６００は金属電導線７００の側面に配置される。従って、前記シーラント６００により、前記電解質３３０によって前記金属電導線７００が損傷されることを防止できる。
金属電導線７００は第１電極２００と第２電極４００を連結させる。染料感応太陽電池のモジュールでは各々の単位セルなどを互いに連結するために前記金属電導線７００を使用する。前記金属電導線７００は電導線を有する金属になることができる。前記金属電導線７００は銀（Ag）電導線であることもある。
一実施例による金属酸化物フィルム３５０は前記金属酸化物ナノ粒子３２０などの各々を囲むことができる。 前記金属酸化物フィルム３５０は二酸化チタニウム フィルムであることもある。 前記金属酸化物フィルム３５０は前記金属酸化物ナノ粒子３２０などの間の界面で電子の損失が発生することを防止できる。即ち、前記金属酸化物フィルム３５０は染料３１０が光を吸収することで生成された励起状態の電子が第１電極２００へ伝達されることができるようにする。
また、前記金属酸化物フィルム３５０は二酸化チタニウム有機―ゾル溶液で形成される。従って、前記金属酸化物フィルム３５０は前記金属酸化物ナノ粒子３２０の表面の中の一部だけに形成される。即ち、前記二酸化チタニウム有機―ゾル溶液は有機溶液である分散媒質に二酸化チタニウムがゾル（sol）状態としてあることを言って、前記二酸化チタニウム有機―ゾル溶液は粘性を有している。前記二酸化チタニウム有機―ゾル溶液の粘度は３乃至５cps（Ｃenti Ｐoise）であることもある。
従って、前記二酸化チタニウム有機―ゾル溶液で形成される金属酸化物フィルム３５０は二酸化チタニウムナノ粒子３２０との接触力が優れて、前記遮断膜へ流れ込まなくて、前記金属酸化物ナノ粒子３２０の表面だけに形成される。結局、前記金属酸化物フィルム３５０は前記金属酸化物ナノ粒子３２０などの間の界面で形成される。また、二酸化チタニウム有機―ゾル溶液が遮断膜２１０へ流れ込んでも、前記シーラント６００の横側へ浸み込んで前記金属電導線７００に接触されはしない。これは前記二酸化チタニウム有機―ゾル溶液が前記のような粘性のあるからである。従って、 前記金属酸化物フィルム３５０によって前記金属酸化物ナノ粒子３２０などの間の界面で電子が損失されなくて、励起状態の電子が第１電極２００へ効果的に伝達されることができるようにする。また、前記金属酸化物フィルム３５０によって励起状態の電子が第１電極２００まで伝達される拡散経路が短くなるために、励起状態の電子が更に効果的に伝達される。
一実施例による太陽電池モジュールで前記金属電導線７００と前記第１電極２００は直接接触している。即ち、前記金属電導線７００と前記第１電極２００の間に前記金属酸化物フィルム３５０の物質が介在されなくて、互いに直接接触している。従って、前記第１電極２００及び前記金属電導線７００が太陽電池モジュール内部の抵抗に影響を与えないために、内部抵抗による太陽電池の変換効率減少を改善させることができる。また、染料感応太陽電池の短所である大面積際の変換効率減少の問題を解決することができる。
また、二酸化チタニウム有機―ゾル溶液は透明電極の間のシーラント６００に影響を与えなくて、願う領域である金属酸化物ナノ粒子の表面だけに選択的な印刷が可能である。
以下の実施例では金属酸化物で二酸化チタニウムを例示的に説明するが、これに制限されることではない。
１. 実施例：染料感応太陽電池モジュールの制作
（１） 二酸化チタニウム有機―ゾル(TiO2 organic-sol)の合成方法
チタニウムテトラブトキシド (titanium tetrabutoxide)１３６ｍLとジエタノールアミン (diethanolamine)をエタノールに溶かして約１時間の間、激烈に攪拌させた後、水（７ｍL）とエタノール（２００ｍL）を混合した溶液をゆっくり滴加した後、一日の間に攪拌して二酸化チタニウム有機−ゾルを製造する。前記結果で生成された二酸化チタニウム有機―ゾル溶液を回転蒸留器(rotary evaporator)を使用して約１００ｍL量になるように溶液に濃縮させた後、密閉容器に入れて低温（約５℃）で保管する。
（１） 二酸化チタニウム有機―ゾル(TiO2 organic-sol)の合成方法
チタニウムテトラブトキシド (titanium tetrabutoxide)１３６ｍLとジエタノールアミン (diethanolamine)をエタノールに溶かして約１時間の間、激烈に攪拌させた後、水（７ｍL）とエタノール（２００ｍL）を混合した溶液をゆっくり滴加した後、一日の間に攪拌して二酸化チタニウム有機−ゾルを製造する。前記結果で生成された二酸化チタニウム有機―ゾル溶液を回転蒸留器(rotary evaporator)を使用して約１００ｍL量になるように溶液に濃縮させた後、密閉容器に入れて低温（約５℃）で保管する。
（２）電極 基板制作
作業電極と相対電極に使用するFTOガラス（電導ガラスでコーティングされたフローリンドーピングされたスズオキサイド、 Pilkington, TEC8）を10cm × 10cm大きさの二基板に切られて、その切られたFTOガラス基板などに対してガラス洗浄剤で超音波洗滌を１０分間した後、蒸留水を使用してFTOガラス基板などから石鹸水を完全に除去した。その後、FTOガラス基板などに対してエタノールを利用したで超音波洗滌を１５分間二回繰り返した。その後にFTOガラス基板などを無水エタノールで完全に洗った後に１００℃オーブンで乾燥させた。このように準備したFTOガラス基板などの各々のFTO膜を太陽電池モジュールパターンにつれてファイバーレーザ（ fiber laser)蝕刻器 (1064 nm)を利用して各セルの間の境界に該当する60μｍ線幅で蝕刻する。この際、レーザ移動速度は800 mm/sであり、 出力は12.5Wを使用した。その後、モジュールでセル間の陰極と陽極電極など（即ち、第１及び第２電極２００，４００）を連結する連結者（interconnecter)である厚さ約14 μｍ、幅0.5 mmの銀(Ag)電導線形成のために銀(Ag)ペイスト(paste)をスクリーン印刷法を利用して陽極及び陰極基板に使用されるFTOガラス基板などの各々に印刷する。このようにFTOガラス基板などの各々に印刷された銀(Ag)ペイストは４５０℃で３０分間熱処理して銀(Ag)電導線を形成する。
作業電極と相対電極に使用するFTOガラス（電導ガラスでコーティングされたフローリンドーピングされたスズオキサイド、 Pilkington, TEC8）を10cm × 10cm大きさの二基板に切られて、その切られたFTOガラス基板などに対してガラス洗浄剤で超音波洗滌を１０分間した後、蒸留水を使用してFTOガラス基板などから石鹸水を完全に除去した。その後、FTOガラス基板などに対してエタノールを利用したで超音波洗滌を１５分間二回繰り返した。その後にFTOガラス基板などを無水エタノールで完全に洗った後に１００℃オーブンで乾燥させた。このように準備したFTOガラス基板などの各々のFTO膜を太陽電池モジュールパターンにつれてファイバーレーザ（ fiber laser)蝕刻器 (1064 nm)を利用して各セルの間の境界に該当する60μｍ線幅で蝕刻する。この際、レーザ移動速度は800 mm/sであり、 出力は12.5Wを使用した。その後、モジュールでセル間の陰極と陽極電極など（即ち、第１及び第２電極２００，４００）を連結する連結者（interconnecter)である厚さ約14 μｍ、幅0.5 mmの銀(Ag)電導線形成のために銀(Ag)ペイスト(paste)をスクリーン印刷法を利用して陽極及び陰極基板に使用されるFTOガラス基板などの各々に印刷する。このようにFTOガラス基板などの各々に印刷された銀(Ag)ペイストは４５０℃で３０分間熱処理して銀(Ag)電導線を形成する。
（３）作業電極（working electrode）制作
銀（Aｇ）電導線が印刷されて、レザー蝕刻されたFTOガラス基板などの中のいずれか一つ（以下、“陰極基板”という）の表面（即ち、第１電極（または透明な陰極電極）で使用される残りのFTO膜）に二酸化チタニウムナノ粒子との接触力を向上させる二酸化チタニウム遮断膜（blocking-layer）形成のために、70℃の 40 mM チタニウムクロライド(IV)溶液に４０分間浸み込んで、蒸留水で洗浄した後、１００℃オーブンで水分を完全に乾燥させる。以後に、CCIC社の二酸化チタニウム（TiO2)ペースト(18-NRT)を透明陰極電極の上にスクリーンプリンタで10cm × 10cm印刷領域にセルパターンなどが配列されたマスク（２００メッシュ）を利用して印刷する。印刷された陰極基板を１００℃オーブンで２０分間乾燥した後、この過程を３回繰り返す。続いて、４８０度で３０分間塑性することで約１０μｍ厚さの二酸化チタニウムナノ粒子が配列された陰極基板が得られる。この約１０μｍ厚さの二酸化チタニウムナノ粒子層は作業電極に使用されることができる。
銀（Aｇ）電導線が印刷されて、レザー蝕刻されたFTOガラス基板などの中のいずれか一つ（以下、“陰極基板”という）の表面（即ち、第１電極（または透明な陰極電極）で使用される残りのFTO膜）に二酸化チタニウムナノ粒子との接触力を向上させる二酸化チタニウム遮断膜（blocking-layer）形成のために、70℃の 40 mM チタニウムクロライド(IV)溶液に４０分間浸み込んで、蒸留水で洗浄した後、１００℃オーブンで水分を完全に乾燥させる。以後に、CCIC社の二酸化チタニウム（TiO2)ペースト(18-NRT)を透明陰極電極の上にスクリーンプリンタで10cm × 10cm印刷領域にセルパターンなどが配列されたマスク（２００メッシュ）を利用して印刷する。印刷された陰極基板を１００℃オーブンで２０分間乾燥した後、この過程を３回繰り返す。続いて、４８０度で３０分間塑性することで約１０μｍ厚さの二酸化チタニウムナノ粒子が配列された陰極基板が得られる。この約１０μｍ厚さの二酸化チタニウムナノ粒子層は作業電極に使用されることができる。
（４）作業電極に二酸化チタニウムフィルム（titanium dioxide film ）を形成
二酸化チタニウム遮断膜と銀（Aｇ）電導線がパターンされた陰極基板をスクリーン印刷機を利用して、４００メッシュ(mesh)のステンレススチール材質のスクリーンに二酸化チタニウムペースト使用際と同一のパターンを有するスクリーンを使用して、予め準備した有機―ゾル溶液を使用して１回印刷した後、４５０℃オーブンで９０分間焼結させて、厚さ１０ｎｍ以内の二酸化チタニウムフィルムをナノ粒子層に均等に成膜する。
二酸化チタニウム遮断膜と銀（Aｇ）電導線がパターンされた陰極基板をスクリーン印刷機を利用して、４００メッシュ(mesh)のステンレススチール材質のスクリーンに二酸化チタニウムペースト使用際と同一のパターンを有するスクリーンを使用して、予め準備した有機―ゾル溶液を使用して１回印刷した後、４５０℃オーブンで９０分間焼結させて、厚さ１０ｎｍ以内の二酸化チタニウムフィルムをナノ粒子層に均等に成膜する。
熱処理の過程の終わった陰極基板（二酸化チタニウムフィルムを含む）を４０ｍM濃度のルテニウム系有機金属染料（N―７１９）/無水エタノール溶液に２４時間浸み込んでおくことで染料を前記二酸化チタニウムフィルムに吸着させる。吸着が終わった後にエタノールに吸着されない染料を完全に洗浄した後に染料が吸着された陰極基板は６０℃で１０分間乾燥させる。
（５）相対電極（counter electrode）制作
前記で洗浄、レーザ蝕刻、銀（Aｇ）電導線プリンティング過程を経た10cm × 10cm大きさのFTOガラス基板（即ち、透明電極基板)などの中の異なる一つ（以下、“陽極基板”という）に直径0.5 mmのダイアモンドドリル(Dremel multipro 395)を利用して各セル毎に電解質が注入される貫通穴の二つがあけられる。その後、蒸留水を利用して洗浄した後、１００℃で３０分間乾燥させる。以後に、ハイドロゲンヘキサクロロプラチネート（hydrogen hexachloroplatinate, H2PtCl6）と2-プロパノル(2-propanol)溶液を１：２大きさ比で３０分間攪拌して高粘度の透明な混合溶液が得られる。この混合溶液を前記で二酸化チタニウムフィルムを印刷する時と同じパターンを有するステインレススチルスクリーン（３２５メッシュ）を使用して前記陽極基板に印刷する。１００℃オーブンで前記陽極基板を乾燥して前記印刷された混合溶液から有機溶媒が除去した後、陽極基板を４００℃オーブンで３０分間焼結して触媒電極４１０に使用される相対電極が前記陽極基板上に形成されるようにする。
前記で洗浄、レーザ蝕刻、銀（Aｇ）電導線プリンティング過程を経た10cm × 10cm大きさのFTOガラス基板（即ち、透明電極基板)などの中の異なる一つ（以下、“陽極基板”という）に直径0.5 mmのダイアモンドドリル(Dremel multipro 395)を利用して各セル毎に電解質が注入される貫通穴の二つがあけられる。その後、蒸留水を利用して洗浄した後、１００℃で３０分間乾燥させる。以後に、ハイドロゲンヘキサクロロプラチネート（hydrogen hexachloroplatinate, H2PtCl6）と2-プロパノル(2-propanol)溶液を１：２大きさ比で３０分間攪拌して高粘度の透明な混合溶液が得られる。この混合溶液を前記で二酸化チタニウムフィルムを印刷する時と同じパターンを有するステインレススチルスクリーン（３２５メッシュ）を使用して前記陽極基板に印刷する。１００℃オーブンで前記陽極基板を乾燥して前記印刷された混合溶液から有機溶媒が除去した後、陽極基板を４００℃オーブンで３０分間焼結して触媒電極４１０に使用される相対電極が前記陽極基板上に形成されるようにする。
（６）作業電極と相対電極の合着
１乃至２ｍｍ厚さで切ったSurlyn(Solaronix, SX1170-25)帯を陰極基板の外郭及び銀（Aｇ）電導線の周りに置いた後、ヒーティングプレス（heating press）を使用して陰極基板及び陽極基板（即ち、二つの透明電極基板など）を合着する。この合着過程は作業電極と相対電極が向かい合うようにした状態で前記二基板に対して遂行される。陰極基板にある二つの小さな穴を通して合着になった基板などの間に電解質を注入した後、Surlynストリップとカバーガラスでシールしてモジュールを制作する。電解質溶液としては0.1 M LiI, 0.05 M I2, 0.6 M 1-ヘッシル-2,3-ディメチルイミダゾリウムヨード(1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium iodide) 及び0.5 M 4―ターシャリーブチルピリジン(4-tert-butylpyridine)を3-メトキシプロピオニトリル(3-metoxypropionitrile)となった溶媒で溶解して製造した。
１乃至２ｍｍ厚さで切ったSurlyn(Solaronix, SX1170-25)帯を陰極基板の外郭及び銀（Aｇ）電導線の周りに置いた後、ヒーティングプレス（heating press）を使用して陰極基板及び陽極基板（即ち、二つの透明電極基板など）を合着する。この合着過程は作業電極と相対電極が向かい合うようにした状態で前記二基板に対して遂行される。陰極基板にある二つの小さな穴を通して合着になった基板などの間に電解質を注入した後、Surlynストリップとカバーガラスでシールしてモジュールを制作する。電解質溶液としては0.1 M LiI, 0.05 M I2, 0.6 M 1-ヘッシル-2,3-ディメチルイミダゾリウムヨード(1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium iodide) 及び0.5 M 4―ターシャリーブチルピリジン(4-tert-butylpyridine)を3-メトキシプロピオニトリル(3-metoxypropionitrile)となった溶媒で溶解して製造した。
（７）フォトカレント電圧 （photo current-voltage）
前記で制作したサンドイッチセル（sandwich cell）でAM 1.5 ソーラーシミュレーティングフィルタ（solar simulating filter)を装着した後、Xe ランプ(Yamashita Denso, 300 W Xe アークランプ)で光を照射すると、２４００ソースユニット(source measure unit)(SMU, Keithley)を使用して電流―電圧曲線が得られた。電位の範囲は-6.0 Vから0.0 Vまでであり、光の強さは100 mW/cm2とした。AM 1.5 光源下で電流保定はNRELで検証されたフォトダイオード（photodiode）を使用した。
前記で制作したサンドイッチセル（sandwich cell）でAM 1.5 ソーラーシミュレーティングフィルタ（solar simulating filter)を装着した後、Xe ランプ(Yamashita Denso, 300 W Xe アークランプ)で光を照射すると、２４００ソースユニット(source measure unit)(SMU, Keithley)を使用して電流―電圧曲線が得られた。電位の範囲は-6.0 Vから0.0 Vまでであり、光の強さは100 mW/cm2とした。AM 1.5 光源下で電流保定はNRELで検証されたフォトダイオード（photodiode）を使用した。
２. 比較例
比較例は作業電極製作過程で二酸化チタニウム有機―ゾルを利用した二酸化チタニウムフィルムのプリンティング及び熱処理過程を省略しては前記実施例１のような過程を使用した。
比較例は作業電極製作過程で二酸化チタニウム有機―ゾルを利用した二酸化チタニウムフィルムのプリンティング及び熱処理過程を省略しては前記実施例１のような過程を使用した。
実施例と比較例は各々二つのモジュールを制作して評価した。実施例と比較例の測定結果を表１に現した。
ここで、Iscはショートサーキット電流 (short-circuit current)を示して、 Jscは単位面積当たりショートサーキット電流を示す。この際、Jscは外部抵抗がない状態で光を受けた時に現す電流密度であり、光吸収によって励起された電子を正孔が再結合して損失されなくていかに効果的に電池内部で外部回路へ送られるかにより決定される。Vocは開放―回路電圧 (open-circuit voltage)を示して、太陽電池から出る電流が０である際の電圧を言う。 FF(fill factor)は光のかけられた上体で電流―電圧曲線の模様が四角形に、いかに近いかを現す指標として、最大電力店からの電流密度（Jmax)とこの際の電圧値（Vmax)の倍をVocとJscの倍に割った値である。即ち、FFは(Vmax×Jmax)/(Voc×Jsc)である。PCEは電池によって生産された最大電力と入射光のエネルギー間の比率を示す。
前記の表１と図４のグラフで分かることができるように、二酸化チタニウム有機―ゾルを利用して二酸化チタニウムフィルムを形成した実施例とこれを省略した比較例は効率面で大きな差のあることが分かる。即ち、実施例による染料感応太陽電池モジュールでの変換効率が比較例より約(6.00-4.54)×100/4.54=32.2%乃至約 (6.08-1.42)×100/4.42=37.6%程度高いことが分かる。
また、実施例による二酸化チタニウムナノ粒子３２０に二酸化チタニウム有機―ゾルを利用して二酸化チタニウムフィルム３５０を形成した後に、前記二酸化チタニウムフィルム３５０のコーティング過程をもう一回遂行すると、前記二酸化チタニウムナノ粒子３２０などの間の界面で電子が損失差荒れることをもっと減らせることができる。これは前記二酸化チタニウムナノ粒子３２０などは互いにアグリゲーション (aggregation) を形成しようとする傾向があって、１次的に前記二酸化チタニウムフィルム３５０を形成して、追加的に前記二酸化チタニウムフィルムをもう一回形成するようになると、前記二酸化チタニウムナノ粒子などまで凝集しようとする傾向を更に減らせることができるためである。従って、これを通して、励起状態の電子が第１電極２００へもっと早くて効果的に伝達されることができる。結局、追加的な二酸化チタニウムフィルムコーティングにより、励起状態の電子の第２電極２００へ伝達能力が更に向上されて太陽電池モジュールの変換効率を増加させることができる。
また、実施例による二酸化チタニウムフィルム３５０を形成する段階は、金属酸化物ナノ粒子３２０上にスクリーン印刷方法（screen-printing)、 インクジェット(ink-jet) 印刷、スリットコーティング(slit coating)及びドックタブレード (doctor-blade)を利用して、選択的な印刷が可能であるようにする。即ち、前記方法等を利用して、二酸化チタニウム有機―ゾル溶液を使用して、前記金属電導線７００には二酸化チタニウムフィルム３５０を形成することができる。
以上で実施例を中心として説明したが、これは単なる例示のだけで本発明に限らなく、本発明の属する分野の平均的な知識を有する人であると、本実施例の本質的な特性を逸脱しない範囲で以上に例示されない多様な変形と応用が可能であることが分かる。例えば、実施例に具体的に示した各構成要素は変形して実施することができる。そして、このような変形と応用に関係された違う点などは添付された請求範囲から規定する本発明の範囲に含まれることと解釈すべきである。
１００：第１基板、 ２００：第１電極、 ２１０：遮断膜
３００：光吸収層、 ３１０：染料、 ３２０：ナノ粒子
３５０：フィルム、 ３３０：電解質、 ４００：第２電極
４１０：触媒電極、 ４２０：透明電極、 ５００：第２基板
６００：シーラント、 ７００：金属電導線
３００：光吸収層、 ３１０：染料、 ３２０：ナノ粒子
３５０：フィルム、 ３３０：電解質、 ４００：第２電極
４１０：触媒電極、 ４２０：透明電極、 ５００：第２基板
６００：シーラント、 ７００：金属電導線
Claims (12)
- 第１基板；
前記第１基板上に配置される第１電極；
前記第１電極上に配置される遮断膜；
前記遮断膜上に配置されるナノ粒子；
前記ナノ粒子の各々を囲むフィルム；
前記ナノ粒子の上に配置される第２電極を含む第２基板；
前記第１電極と前記第２電極の間に介在される電解質；及び
前記第１電極と前記第２電極を連結する金属電導線を含み、
前記フィルムは、二酸化チタニウム有機−ゾル溶液で作られ、
前記二酸化チタニウム有機−ゾル溶液は、３乃至５ｃＰ（Centi Poise）の粘度範囲を有する
ことを特徴とする染料感応太陽電池モジュール。 - 前記フィルムは前記ナノ粒子の表面の中の一部だけに配置されることを特徴とする請求項１記載の染料感応太陽電池モジュール。
- 前記遮断膜、前記ナノ粒子及び前記フィルムは金属酸化物で形成されることを特徴とする請求項１記載の染料感応太陽電池モジュール。
- 前記金属酸化物は二酸化チタニウムであることを特徴とする請求項３記載の染料感応太陽電池モジュール。
- 前記金属電導線と前記第１電極は直接に接触することを特徴とする請求項１記載の染料感応太陽電池モジュール。
- 前記金属電導線は銀（Ａｇ）を含むことを特徴とする請求項１記載の染料感応太陽電池モジュール。
- 前記二酸化チタニウム有機−ゾル溶液は、エタノール中ジエタノールアミン及びチタニウムテトラブトキシドの混合物であることを特徴とする請求項１記載の染料感応太陽電池モジュール。
- 第１基板上に第１電極を形成する段階；
前記第１電極上に金属電導線を形成する段階；
前記第１電極上に遮断膜を形成する段階；
前記遮断膜上にナノ粒子を形成する段階；
前記ナノ粒子の各々を囲むフィルムを形成する段階；
前記ナノ粒子上に配置される第２電極を含む第２基板を形成する段階；及び
前記第１電極と前記第２電極の間に電解質を注入する段階を含んで、
前記フィルムは粘性を有する二酸化チタニウム有機―ゾル溶液の存在下で形成され、
前記二酸化チタニウム有機−ゾル溶液は、３乃至５ｃＰ（Centi Poise）の粘度範囲を有する
ことを特徴とする染料感応太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記フィルムは前記ナノ粒子の表面の中の一部だけに形成されることを特徴とする請求項８記載の染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記ナノ粒子に前記フィルムをコーティングした後に、追加的に前記フィルムコーティング過程をもう一回行うことを特徴とする請求項８記載の染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記フィルムを形成する段階は、スクリーン印刷方法（screen-printing）、インクジェット（ink-jet）法、スリットコーティング(slit coating)及びドクターブレード（doctor-blade）方法によって遂行される特徴とする請求項８記載の染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記二酸化チタニウム有機−ゾル溶液を作製する方法は、
エタノールにジエタノールアミン及びチタニウムテトラブトキシドを溶解し、
前記溶解した溶液を撹拌し、
前記溶解撹拌した溶液へ水とエタノールの混合溶液を滴下し、及び、
前記滴下溶液を濃縮することを特徴とする請求項８記載の染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
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