KR100416502B1

KR100416502B1 - 티타노실리칼라이트-2를 포함하는 염료감응 태양전지

Info

Publication number: KR100416502B1
Application number: KR10-2001-0064358A
Authority: KR
Inventors: 강만구; 박남규; 장순호; 김강진
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2004-01-31
Also published as: KR20030032538A; JP2003123862A; JP4226837B2

Abstract

염료감응 나노입자 산화물 태양전지에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 전이금속산화물과 티타노실리칼라이트-2와의 혼합물층을 포함하는 반도체 전극과, 대향 전극과, 상기 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함한다.

Description

티타노실리칼라이트-2를 포함하는 염료감응 태양전지 {Dye-sensitized solar cells including titanium silicalite-2}

본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 특히 전이금속산화물 반도체 전극을 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.

지금까지 알려진 종래의 염료감응 태양전지중 대표적인 예로서 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 태양전지가 있다. 그라첼 등에 의한 광전기화학적 태양전지는 감광성 염료 분자와 나노입자 이산화티탄으로 이루어지는 산화물 반도체를 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조 단가가 저렴하다는 이점이 있으나, 에너지 변환 효율이 높은 태양 전지를 제조하는 것이 어렵다.

다른 종래의 염료감응 태양전지로서, 에너지 변환 효율을 증가시키기 위한 목적으로 나노입자 이산화티탄에 마이크로입자 크기의 이산화티탄을 첨가하여 구성된 산화물 반도체를 이용한 태양전지가 발표된 바 있다. 그러나, 이와 같은 태양전지는 광전류가 증가되는 효과는 얻을 수 있으나 광전압은 감소하는 것으로 알려져 있어 에너지 변환 효율을 향상시키는 데 한계가 있다.

본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 제조 단가가 저렴하고, 우수한 에너지 변환 효율을 얻을 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 염료감응 태영전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전류 전압 특성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지에서 티타노실리칼라이트-2의 첨가량에 따른 광전류 변화를 나타낸 그래프이다.

도 4는 빛 조사 시간에 따른 광전류 특성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 반도체 전극, 12: 유리 기판, 14: 혼합물층, 20: 대향 전극, 22: 유리 기판, 24: 백금층, 26: 미세 구멍, 30: 전해질 용액, 40: 고분자층.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 전이금속산화물과 티타노실리칼라이트-2(titanium silicalite-2)와의 혼합물층을 포함하는 반도체 전극과, 대향 전극과, 상기 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함한다.

상기 반도체 전극은 전도성 투명 기판과, 상기 투명 기판 위에 코팅되어 있는 상기 혼합물층으로 이루어진다. 또한, 상기 반도체 전극은 상기 전이금속산화물에 화학적으로 흡착되어 있는 염료 분자층을 더 포함한다. 상기 염료 분자층은 루테늄 착체(錯體)로 이루어진다.

바람직하게는, 상기 전이금속산화물은 나노입자 이산화티탄으로 이루어진다.

또한 바람직하게는, 상기 혼합물층 내에서 티타노실리칼라이트-2는 상기 전이금속산화물의 총 중량을 기준으로 5 ∼ 20 중량%의 양으로 혼합되고, 상기 혼합물층은 10 ∼ 30㎛의 두께를 가진다.

상기 대향 전극은 전도성 투명 기판과, 상기 투명 기판 위에 코팅되어 있는 백금층으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 안정된 광전류 특성을 얻을 수 있는 동시에 광전압의 감소 없이 광전류를 증가시킴으로써 종래 기술에 따른 태양 전지에 비하여 광 전환 효율을 향상시킬 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극(10)과, 대향 전극(20)과, 이들 사이에 개재되어 있는 전해질 용액(30)을 포함한다. 상기반도체 전극(10)은 전도성 유리 기판(12), 예를 들면 ITO(indium tin oxide) 또는 SnO₂가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판 위에 전이금속산화물과 티타노실리칼라이트-2가 혼합되어 이루어진 혼합물층(14)이 코팅되어 있는 구성을 가진다. 상기 혼합물층(14)을 구성하고 있는 상기 전이금속산화물은 약 5 ∼ 30 ㎚의 나노사이즈를 가지는 나노입자 이산화티탄(nanocrystalline titanium dioxide)으로 이루어진다. 상기 혼합물층(14) 내에 포함되는 상기 티타노실리칼라이트-2는 다공성 제올라이트의 일종으로서, 상기 혼합물층(14) 내에서 상기 전이금속산화물의 총 중량을 기준으로 약 5 ∼ 20 중량%의 양으로 혼합되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 혼합물층(14)은 약 10 ∼ 30㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 상기 혼합물층(14) 내에서 전이금속산화물 즉 나노입자 이산화티탄에는 루테늄 착체(錯體)로 이루어지는 염료 분자층이 화학적으로 흡착되어 있다.

상기 대향 전극(20)은 전도성 유리 기판(22), 예를 들면 ITO 또는 SnO₂가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판위에 백금층(24)이 코팅되어 있는 구성을 가진다. 상기 대향 전극(20)의 백금층(24)은 상기 반도체 전극(10)의 혼합물층(14)과 대향하도록 배치되어 있다.

상기 반도체 전극(10)과 상기 대향 전극(20) 사이의 공간에 채워져 있는 상기 전해질 용액으로서 0.8M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드 (1,2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide)와 40mM의 I₂(iodine)을 3-메톡시프로피오니트릴 (3-methoxypropionitrile)에 용해시킨 I₃ ^-/I^-의 전해질 용액을 사용할 수 있다.

다음에, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명한다.

음극인 상기 반도체 전극(10)을 제조하기 위하여, 먼저 전이금속산화물과 티타노실리칼라이트-2가 혼합되어 있는 혼합물을 제조한다. 이를 위하여, 티타늄(IV)이소프로폭사이드와 아세트산을 사용하여 220℃로 유지되는 오토클레이브에서 수열합성(hydrothermal synthesis) 방법에 의하여 이산화티탄 콜로이드 용액을 합성한다. 얻어진 용액 내에서 이산화티탄의 함량이 10 ∼ 15부피%로 될 때까지 합성된 이산화티탄 콜로이드 용액으로부터 용매를 증발시켜 약 5 ∼ 30 ㎚의 나노사이즈를 가지는 나노입자 이산화티탄 콜로이드 용액을 얻는다. 그 후, 얻어진 콜로이드 용액에 마이크로입자 사이즈의 티타노실리칼라이트-2를 첨가한다. 이 때, 티타노실리칼라이트-2의 첨가량은 나노입자 이산화티탄의 총 중량을 기준으로 약 5 ∼ 20중량%가 되도록 한다. 상기와 같이 첨가되는 티타노실리칼라이트-2는 다음과 같은 방법으로 얻어질 수 있다. 먼저, 테트라부틸암모늄하이드록사이드 (tetrabutylammonium hydroxide)를 뼈대 물질로 사용하여 테트라에틸오르소실리케이트 (tetraethylorthosilicate)와, 테트라부틸오르소티타네이트 (tetrabutylorthotitanate)를 175℃로 유지되는 오토클레이브에서 24시간 동안 반응시켜 결정화한다. 얻어진 결정을 여과하고 세척한 후, 500℃로 유지되는 전기로에서 가열한다. 이와 같은 방법으로 제조된 티타노실리칼라이트-2는 나노입자 이산화티탄 용액에 첨가되었을 때 균일한 분포로 잘 혼합될 수 있다.

상기와 같은 방법으로 얻어진 이산화티탄과 티타노실리칼라이트-2의 혼합 용액에 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌옥사이드를 이산화티탄의 총 중량을 기준으로 약 30 ∼ 50 중량%의 양으로 첨가하여 점성이 있는 이산화티탄/티타노실리칼라이트-2 혼합물을 완성한다.

상기와 같이 얻어진 혼합물을 ITO 또는 SnO₂가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판(12) 위에 약 10 ∼ 30㎛의 두께로 코팅한 후, 약 450 ∼ 550℃의 온도로 가열하여 유기 고분자를 제거하고, 나노입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 한다. 이산화티탄/티타노실리칼라이트-2 혼합물이 코팅되어 있는 상기 유리 기판(12)을 루테늄 착체로 이루어지는 염료 용액 내에 24시간 이상 담그어둠으로써 염료가 코팅된 상기 혼합물층(14)을 포함하는 음극을 완성한다.

양극인 상기 대향 전극(20)을 형성하기 위하여, ITO 또는 SnO₂가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판(22) 위에 백금층(24)을 코팅한다.

그 후, 양극과 음극을 조립할 때에는 양극 및 음극에서 전도성 표면이 안쪽으로 오도록 하여 상기 백금층(24)과 상기 혼합물층(14)이 대향되도록 한다. 이 때, 양극과 음극 사이에 예를 들면 SURLYN (Du Pont사제의 상품명)으로 이루어지는 약 30 ∼50㎛ 두께의 고분자층(40) 놓고 약 100 ∼ 140℃의 가열판상에서 약 1 ∼ 3기압으로 상기 두 전극을 밀착시킨다. 열 및 압력에 의하여 상기 고분자층(40)이 상기 두 전극의 표면에 강하게 부착된다. 상기 두 전극이 부착된 후, 상기 양극에형성된 미세 구멍(26)을 통하여 상기 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액(30)을 채워 넣는다. 상기 전해질 용액(30)으로서 상기 설명한 바와 같은 물질을 사용할 수 있다. 상기 전해질 용액(30)이 다 채워진 후, SURLYN과 얇은 유리를 순간적으로 가열함으로써 상기 미세 구멍(26)을 막는다.

상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 평가하기 위하여 다음과 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하였다.

광원으로는 제논 램프 (xenon lamp, Oriel, 91193)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준태양전지 (Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG filter)를 사용하여 보정하였다.

도 2는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전류 전압 특성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 2의 결과로부터, 음극을 구성하는 반도체층으로서 나노입자 이산화티탄에 티타노실리칼라이트-2 ("TS-2"로 표시함)를 첨가한 경우 (2), (3) 및 (4)는 나노입자 이산화티탄만을 사용하고 티타노실리칼라이트-2를 혼합하지 않은 경우 (1)에 비하여 광전류가 증가된 것을 확인할 수 있다. 광전류의 증가는 이산화티탄에 흡착된 염료가 빛을 흡수하여 여기된 염료 분자가 이산화티탄의 전도대에 전자를 주입하는 과정에서 빛의 산란에 의하여 염료의 빛 흡수가 증가하기 때문이다.

도 3은 티타노실리칼라이트-2의 첨가량에 따른 광전류 변화를 나타낸 그래프이다. 티타노실리칼라이트-2의 첨가량을 각각 이산화티탄의 총 중량을 기준으로 5중량%, 10중량% 및 15중량%로 하여 음극을 형성하였을 때, 각각의 경우 제조된 염료감응 태양전지에 대하여 티타노실리칼라이트-2의 증가량에 따른 광전류 변화를 측정하여 본 바, 티타노실리칼라이트-2의 증가량에 따라 광전류가 증가하다가 상기 첨가량이 일정치를 초과하면 광전류가 다시 감소하는 것으로 나타났으며, 티타노실리칼라이트-2의 첨가량이 10중량%일 때 최적의 결과를 나타내었다. 이와 같은 현상이 나타나는 이유를 설명하면 다음과 같다. 즉, 마이크로입자 크기의 티타노실리칼라이트-2의 첨가량이 증가함에 따라 태양전지에 입사된 빛의 산란이 증가됨과 동시에 이산화티탄의 분율이 감소되어 그 표면적이 감소된다. 이로 인하여 이산화티탄의 표면에 흡착되는 염료의 양도 감소되고, 그 결과로서 광전류가 감소되는 것으로 판단된다. 이와 같은 이유로 인하여 티타노실리칼라이트-2의 최적 첨가량이 존재하게 되는 것이다.

일반적으로, 나노입자 이산화티탄에 마이크로입자의 이산화티탄을 첨가하여 제조된 음극을 가지는 종래의 태양전지에서는 광전류는 증가하나 광전압은 감소되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지에서와 같이 나노입자 이산화티탄에 티타노실리칼라이트-2를 첨가한 경우에는 그 첨가량 변화에 관계없이 일정한 광전압이 얻어지는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과가 얻어지는 이유는 전극의 표면 에너지 상태와 관계가 있는 것으로 판단된다. 즉, 비교적 큰 입자 크기를 가지는 티타노실리칼라이트-2를 나노입자 이산화티탄에 첨가하면 전극의 표면적 감소에 따른 재결합 에너지 상태의 감소로 인하여 광전압이 증가하는 효과가 얻어진다. 그러나, 다른 한편으로는 티타노실리칼라이트-2의 첨가량이 증가함에 따라 이산화티탄의 표면적 감소 효과 및 그로 인한 흡착 염료의 감소 효과로 인하여 전도대의 전자 밀도가 감소되고, 그 결과 광전압이 감소되는 결과를 예측할 수 있다. 결과적으로, 광전압을 증가시키는 데 기여하는 표면 결합 감소와, 광전압을 감소시키는 데 기여하는 염료 흡착량 감소가 동시에 발생됨으로써 이들 두 요인이 상호 상쇄되어 티타노실리칼라이트-2의 첨가량 증가에 따라 광전압은 감소 없이 일정하게 유지되는 것이다.

도 4는 빛 조사 시간에 따른 광전류 특성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4의 결과로부터, 빛 조사 시간에 따라 안정된 광전류 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지에서는 빛 조사 시간에 따라 안정된 광변환 특성을 가지면서, 종래 기술에 따른 태양전지에 비하여 광전압은 일정하게 유지됨과 동시에 증가된 광전류가 얻어짐으로써, 태양 빛으로부터 전기 에너지로 변환시키는 광 전환 효율 즉 에너지 변환 효율이 향상될 수 있음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 음극으로서 전이금속산화물과 티타노실리칼라이트-2와의 혼합물층을 포함하는 반도체 전극을 포함하고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 안정된 광전류 특성을 얻을 수 있는 동시에 광전압의 감소 없이 광전류를 증가시킴으로써 종래 기술에 따른 태양 전지에 비하여 광 전환 효율을 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims

전이금속산화물과 티타노실리칼라이트-2(titanium silicalite-2)와의 혼합물층을 포함하는 반도체 전극과,

대향 전극과,

상기 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서, 상기 반도체 전극은 전도성 투명 기판과, 상기 투명 기판 위에 코팅되어 있는 상기 혼합물층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
제2항에 있어서, 상기 반도체 전극은 상기 전이금속산화물에 화학적으로 흡착되어 있는 염료 분자층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
제3항에 있어서, 상기 염료 분자층은 루테늄 착체(錯體)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서, 상기 전이금속산화물은 나노입자 이산화티탄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물층 내에서 티타노실리칼라이트-2는 상기 전이금속산화물의 총 중량을 기준으로 5 ∼ 20 중량%의 양으로 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물층은 10 ∼ 30㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서, 상기 대향 전극은 전도성 투명 기판과, 상기 투명 기판 위에 코팅되어 있는 백금층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.