KR100578799B1 - 염료감응 태양전지의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

염료감응 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 본 발명에서는 투광성 물질로 이루어진 제1전극 및 제2전극을 준비하는 단계; 제1전극의 일면 상에 완충층을 형성하는 단계; 완충층 상에 다공질막을 형성하는 단계; 다공질막에 염료를 흡착시키는 단계; 및 제1전극의 다공질막과 마주보도록 제2전극을 배치시키고, 다공질막 및 제2전극 사이에 전해질을 매립하여 밀봉하는 단계를 포함하여 염료감응 태양전지를 제조한다.
태양전지, 염료, 나노입자, 완충층

Description

염료감응 태양전지의 제조방법{Fabrication method of dye-sensitized solar cell}
도 1은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 도시한 단면도이고,
도 2는 비교예(a), 본 발명의 실시예 1(b), 및 실시예 2(c)에 따른 염료감응 태양전지에 대해 전류-전압 특성을 측정한 결과를 도시한 그래프이고,
도 3a 내지 3c는 각각 비교예(a), 본 발명의 실시예 1(b), 및 실시예 2(c)에 따른 염료감응 태양전지에 대해 교류임피던스 특성을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 효율이 향상된 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
종래의 염료감응 태양전지 중에서 대표적인 것으로는 1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael gratzel)의 연구팀이 개발한 나노입자 산화티탄늄(아나타제)을 이용한 염료감응 태양전지가 있다. 이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인 해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아서 실제 적용에는 제한이 있는 상황이다.
태양전지의 광전변환효율은 태양빛의 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하므로, 효율을 증가시키기 위해서는 태양빛의 흡수를 증가시키거나 염료의 흡착량을 높여 전자의 생성량을 늘일 수도 있고, 또는 생성된 여기전자가 전자-홀 재결합에 의해 소멸되는 것을 막아줄 수도 있다.
단위면적당 염료의 흡착량을 늘이기 위해서는 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여야 하며 태양빛의 흡수를 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이거나, 수 마이크로 크기의 반도체 산화물 광산란자를 섞어서 제조하는 방법 등이 개발되어 있다. 그러나 이러한 종래 방법으로는 태양전지의 광전변환 효율 향상에 한계가 있으며, 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 염료감응 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 염료감응 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키기 위해 전자-홀 재결합을 방지하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 투광성 물질로 이루어진 제1전극 및 제2전극을 준비하는 단계; 제1전극의 일면 상에 완충층을 형성 하는 단계; 완충층 상에 다공질막을 형성하는 단계; 다공질막에 염료를 흡착시키는 단계; 및 제1전극의 다공질막과 마주보도록 제2전극을 배치시키고, 다공질막 및 제2전극 사이에 전해질을 매립하여 밀봉하는 단계를 포함하여 염료감응 태양전지를 제조한다.
이 때, 완충층은 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(CVD), 증기증착(evaporation), 열산화(thermal oxidation), 전기화학적 증착(electrochemical anodization(deposition)) 중의 어느 한 방법에 의해 형성하는 것이 바람직하고, 일 예로서 스퍼터링 방법에 의해 상온 내지 400℃의 온도에서 1 내지 400 nm 의 두께로 형성할 수 있다.
다공질막은 전이금속 산화물의 나노입자로 이루어지는 것이 바람직하고, 이러한 다공질막을 형성하는 단계에서는 다공질막을 구성하는 나노입자의 분산액을 도포한 후 건조시키는 것이 바람직하다.
다공질막은 Ti산화물, Zr산화물, Sr산화물, Zn산화물, In산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Mo산화물, W산화물, Sn산화물, Nb산화물, Mg산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, 및 SrTi산화물 중에서 하나 또는 둘 이상의 복합물로 이루어질 수 있다.
나노입자의 평균입경은 100nm 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10-40nm 일 수 있다.
다공질막을 형성할 때에는 분산액에 도전성 미립자를 첨가하거나, 다공질막과 동일한 물질이고 평균입경이 150nm 이상인 광산란자를 첨가하거나, 또는 도전성 미립자 및 광산란자 모두를 첨가할 수 있다.
완충층은 다공질막보다 낮거나 같은 전도띠 에너지 준위를 가지는 것이 바람직하고, 다공질막보다 더 치밀한 조직을 가지는 것이 바람직하다.
이러한 완충층은 다공질막과 동일한 물질로 이루어지거나 또는 다공질막을 이루는 물질을 포함하는 복합물질로 이루어질 수 있으며, 티타늄산화물, 텅스텐산화물, MnTiO3, BaTiO3, FeTiO3, Nb2O5, 및 Fe 2O3 중의 어느 한 물질로 이루어질 수 있다.
염료는 다공질막의 나노입자 표면에 흡착되어 있는 것이 바람직하며, 이러한 염료는 Ru 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
제1전극은 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에 ITO. FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O 3), SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 전도성 필름이 코팅된 것이 바람직하다.
제2전극은 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O 3), SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 제1전도성 필름이 코팅되어 있고, 제1전도성 필름 상에 Pt 또는 귀금속 물질을 포함한 제2전도성 필름이 코팅된 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
염료감응 태양전지란, 나노 입자의 다공질막, 태양광의 가시광을 흡수하여 전자를 여기하는 염료, 전해질, 투명전극 등으로 구성되어, 자연상태의 광합성 원리를 응용한 전지이다.
기존의 반도체 태양전지에서는 태양 에너지의 흡수과정과 전자-정공 쌍의 분리에 의한 기전력 생산 과정이 반도체 내에서 동시에 일어나는데, 이에 비해 염료 감응 태양전지에서는 태양 에너지의 흡수과정과 전하이동 과정이 분리된다. 구체적으로는 염료 감응 태양전지에서는 태양 에너지의 흡수는 염료가 담당하고 전하의 이동은 반도체에서 담당한다.
염료감응 태양전지 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 염료에 흡수되고, 여기상태로 된 염료가 전자를 다공질막을 이루는 전이금속 산화물의 전도대로 보낸다. 여기서 전자는 전극으로 이동한 후 외부 회로로 흘러가서 전기 에너지를 전달하고 에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대 전극으로 이동한다.
염료는 전이금속 산화물에 전달한 전자의 개수만큼을 전해질 용액으로부터 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 된다. 전해질은 산화환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 담당한다.
이러한 염료감응 태양전지에는 태양전지 특성을 열화시키는 계면들이 존재하는데, 이 중에서 대표적인 것으로는 다공질막을 이루는 전이금속 산화물의 입자와 전해질 간의 계면과, 다공질막이 도포된 전극과 전해질 간의 계면을 들 수 있다.
전이금속 산화물의 입자와 전해질 간의 계면은, 염료분자로부터 전이금속 산화물 입자로 전달된 전자가 전해질 내의 산화요오드이온과 환원 반응하도록 작용하 여, 전이금속 산화물로부터 전극으로 전달될 전자 농도를 낮추고, 그 결과 태양전지의 개방전압(open circuit voltage, Voc), 단락전류(short circuit current, Isc), 충밀도(fill factor, FF) 특성을 열화시킨다.
다공질막이 도포된 전극과 전해질 간의 계면은 전하 집접(collection) 특성에 영향을 미칠 수 있다. 전하집접 특성은 재결합속도와 집접속도의 두 요인에 의해 좌우되는데, 재결합속도의 경우 전극 내의 전자와 전해질 내의 산화요오드이온 간의 환원반응에 기인한다. 이와 더불어 전극과 전해질 간의 계면 특성을 개선하는 데 있어서 재결합 계면 반응을 줄이는 것 뿐만 아니라 집접속도를 향상시키는 것 또한 매우 중요한 기술적 요구이다.
따라서, 본 발명에서는 다공질막을 이루는 전이금속 산화물의 전도띠 에너지 준위와 같거나 이보다 낮은 에너지 준위를 가지는 치밀한 완충층을 다공질막 형성 전에 전극 위에 증착함으로써, 다공질막이 도포된 전극과 전해질 간의 계면 특성을 향상시키고 이로써 전자 집접 특성을 향상시키고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
염료감응 태양전지의 기본 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 판상 투명전극(제1전극(10) 및 제2전극(20))이 서로 면 접합된 샌드위치 구조이고, 한 투명전극(제1전극(10))의 이면에는 나노입자로 이루어진 다공질막(30)이 도포되어 있으며, 다공질막의 나노입자 표면에는 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광 감응 염료가 흡착되어져 있다. 이 두 투명전극 사이의 공간은 산화환원용 전해질(40)로 채워져 있다.
본 발명에서는 제1전극(10)과 다공질막(30)의 계면에 완충층(50)을 형성하는 것이 특징이다.
완충층(50)은 다공질막(30)보다 낮거나 같은 전도띠 에너지 준위를 가지는 물질로 이루어지고, 다공질막(30)의 나노입자보다 더 작은 입경을 가져 조직이 더 치밀하다. 따라서, 제1전극(10)과 전해질(40) 간의 계면 특성을 개선시켜 계면에서의 홀-전자 재결합을 줄여 전자 집접 특성을 향상시킨다. 또한, 제1전극(10)과 다공질막(30) 간의 접착력 향상 역할 뿐만 아니라 전해질(40)이 제1전극(10)에 직접 닿는 것을 차단하는 역할을 수행하여 단로방지에 의한 효율 향상의 효과를 가져온다.
완충층(50)은 다공질막(30)과 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 또는 다공질막(30)을 이루는 물질을 포함하는 복합물질로 이루어질 수도 있다. 즉, 완충층(50)은 티타늄산화물, 텅스텐산화물, MnTiO3, BaTiO3, FeTiO3, Nb 2O5, 및 Fe2O3 중의 어느 한 물질로 이루어질 수 있으며, 일 예로서, 다공질막(30)이 TiO2 일 때, 완충층(50)으로서 TiO2-WO3을 형성할 수 있다.
이러한 완충층(50)은 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(CVD), 증기증착(evaporation), 열산화(thermal oxidation), 전기화학적 증착(electrochemical anodization(deposition)) 중의 어느 한 방법에 의해 형성할 수 있으며, 일 예로는 스퍼터링 방법에 의해 상온 내지 400℃의 온도에서 1 내지 400 nm 의 두께로 형성할 수 있다.
본 발명의 염료감응 태양전지의 투명전극 중 다공질막(30)이 도포된 제1전극(10)으로는 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판(11) 상에 ITO. FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2 O3), SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 전도성 필름(12)이 코팅된 것을 사용한다.
다공질막(30)은 전이금속 산화물의 나노입자로 이루어진 것으로서, Ti산화물, Zr산화물, Sr산화물, Zn산화물, In산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Mo산화물, W산화물, Sn산화물, Nb산화물, Mg산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, 및 SrTi산화물 중에서 하나 또는 둘 이상의 복합물로 이루어지는 것이 바람직하다.
상술한 전이금속 산화물을 포함하는 페이스트를 제1전극의 이면에 코팅한 후 열처리함으로써 다공질막을 형성한다. 코팅법에 따라 요구되는 페이스트의 물성도 조금씩 달라진다. 일반적으로 닥터 브레이드 또는 스크린 프린트 등의 방법으로 페이스트를 코팅하고, 투명막 형성을 위해서는 스핀 코팅 또는 스프레이 방법을 이용하기도 한다. 이 외에도 스퀴즈를 포함하여 일반적인 습식 코팅 방법을 적용할 수 있다.
열처리는 바인더를 첨가한 경우 450-600℃에서 30분 정도 수행하고, 바인더를 첨가하지 않은 경우 200℃로도 가능하다.
또한, 다공질막(30)의 다공성을 유지하기 위한 목적으로 다공질막(30)에 고분자를 첨가하여 열처리(400~600℃)하면 다공성이 높은 도포막이 얻어지는데, 이 때에는 열처리 후 유기물이 잔존하지 않는 고분자를 선택해야 한다.
적합한 고분자로는 폴리 에틸렌 글리콜(PEG), 폴리 에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리 비닐 알콜(PVA), 폴리 비닐 피리돈(PVP) 등이 있다. 이 중에서 도포법을 포함한 도포 조건을 고려하여 적합한 분자량을 가지는 것으로 선택하여 첨가하면 된다. 이러한 고분자를 첨가하면 다공성 향상 이외에도 분산성 향상, 점도 증가로 성막성 및 기반과의 부착력도 향상시킬 수 있다.
다공질막(30)은 나노미터 규모의 입경을 가지는 나노 입자들이 균일하게 분포하며 다공성을 유지하면서 표면에 적당한 거칠기(roughness)를 가지도록 형성하는 것이 중요하다. 나노입자는 평균입경 100nm 이하를 가지고, 바람직하게는 10-40nm의 입경을 가지며, 또한 표면거칠기는 20nm 이상인 것이 바람직하다.
다공질막(30)을 이루는 대표적인 물질로서 TiO2의 입경별 효율을 검토해 보면, TiO2의 입경이 10nm이하로 작으면 성막 후 열처리 시 기반과의 밀착성이 떨어져 박리가 일어난다. 반면에, TiO2의 입경이 40nm 초과로 커지면 표면적의 감소로 염료 흡착 포인트가 감소하여 광전변환 효율이 떨어진다. 따라서, 공정성과 효율을 동시에 고려한 결과, 10~40nm 입경의 TiO2를 이용하여 다공질막을 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 다공질막(30)에는 전자이동을 용이하게 하기 위하여 ITO와 같은 도전성 미립자를 첨가할 수도 있고, 또는 광로를 연장시켜 효율을 향상시키는 목적으로 광산란자를 첨가할 수도 있으며, 또는 도전성 미립자 및 광산란자 둘 모두를 첨가 할 수도 있다. 광산란자는 다공질막을 이루는 물질과 동일한 것으로서 평균입경이 150nm 이상으로 큰 것이다.
다공질막의 나노입자 표면에 흡착되어 있는 염료로는 Ru 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 물질로 이루어진다. Ru은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합 화합물을 만들 수 있는 원소이다.
태양전지용으로 적합한 염료로서 가장 일반적인 것은 Ru(etc bpy)2(NCS)2 2CH3CN 타입이 많이 사용되어 지고 있다. 여기서 etc는 (COOEt)2 or (COOH)2 로서 다공질막(일 예로 TiO2) 표면과 결합 가능한 반응기이다. 이 외에도 가시광내의 장파장 흡수를 개선하여 효율을 향상시키는 염료 및 전자 방출이 용이한 새로운 타입의 염료를 개발하고 있으며 염료의 반응기를 개선하여 전자와 정공의 재결합을 방지하여 효율을 향상시키고자 한다.
또한, 다양한 칼라의 유기 색소는 저가이면서도 소재가 풍부하여 활용 가능성이 높은 소재로 효율 향상을 위한 검토가 활발하게 진행 중이다. 유기색소로는 큐마린(Cuemarine), 포피린(porphyrin)의 일종인 pheophorbide a 등을 단독 또는 Ru 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광 흡수를 개선하여 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 염료의 흡착은 염료를 용해시킨 알콜용액에 다공질막을 도포한 제1전극을 침지시킨후 12시간 정도 지나면 자연 흡착이 된다.
제2전극(2)은 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명 한 플라스틱 기판 또는 유리 기판(21) 상에 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2 O3), SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 제1전도성 필름(22)이 코팅되어 있고, 제1전도성 필름(22) 상에 Pt 또는 귀금속 물질을 포함한 제2전도성 필름(23)이 코팅된 것을 사용한다. Pt는 반사도가 우수하므로 선호된다.
제1전극(10) 및 제2전극(20)은 접착제를 사용하여 서로 면 접합시킨 후, 제1전극(10) 및 제2전극(20)을 관통하는 미세 홀을 형성하고 이 홀을 통해 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 주입한 다음, 다시 홀의 내부를 접착제로 매립하여 밀봉한다.
접착제로는 열가소성 고분자 필름을 사용할 수 있는데 일 예로는 상품명 surlyn이 있다. 이러한 열가소성 고분자 필름을 두 전극 사이에 위치시킨 후 가열 압착하여 밀폐시킨다.
접착제의 또 다른 종류로는 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제를 사용할 수 있으며, 이 경우 열처리 또는 UV 처리 후에 경화시킬 수도 있다.
전해질(40)은 도 1에서 설명의 편의상 한 층으로 도시되어 있지만, 실제로는 제1전극(10) 및 제2전극(20) 사이의 공간에서 다공질막(30) 내부로 균일하게 분산되어 있는 것이다.
전해질(40)은 iodide/triodide 쌍으로서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하며 개방회로 전압은 다공질막의 페르미 에너지 준위와 전해질의 산환, 환원 준위의 차이에 의해 결정된다.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 투광성 물질로 이루어진 제1전극(10) 및 제2전극(20)을 준비하고, 그 다음 제1전극(10)의 일면 상에 완충층(50)을 형성한 후, 완충층(50) 상에 다공질막(30)을 형성한다.
완충층(50) 및 다공질막(30)의 형성 방법은 앞에서 설명한 바와 같다.
다음, 다공질막(30)에 염료를 흡착시킨 후, 제1전극(10)의 다공질막(30)과 마주보도록 제2전극(20)을 배치시키고, 다공질막(30) 및 제2전극(20) 사이에 전해질(40)을 매립하여 밀봉함으로써 염료감응 태양전지의 제조를 완료한다.
이하, 실시예 1 및 2를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예 1 및 2는 본 발명을 상세히 설명하는 일 예이고, 본 발명이 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
제1전극의 ITO 위에 RF 마그네트론 스퍼터장비를 이용하여 완충층으로서 40 nm 두께의 치밀한 티타늄산화물 막을 증착하였다. 증착 조건은 Ti 금속을 스퍼터 타겟으로 하여 300 W, 알곤:산소=24:3, 15 mTorr 작업 압력 하에서 상온 증착하였다.
이렇게 증착된 치밀한 티타늄산화물 막(완충층) 위에 입경 5-15 nm 정도 크기의 티타늄산화물 입자 분산액을 닥터블레이드법을 이용하여 1cm2 면적에 도포하 고, 450도 30분 열처리 소성공정을 통해 3 ㎛ 두께의 다공성 티타늄산화물 후막을 제작하였다.
그 후 80도에서 시편을 유지한 후 에탄올에 용해된 0.3 mM Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2 염료색소액에 염료흡착처리를 12시간 이상 수행하였다. 그 후 염료흡착된 다공성 티타늄산화물 후막을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광음극을 제조하였다.
상대전극으로는 ITO 위에 스퍼터를 이용하여 Pt 막을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들어 상대전극을 제작하였다.
60 ㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 광음극과 상대전극 사이에 두고 100 도에서 9초 압착시킴으로서 두 전극을 접합시켰다. 상대전극에 형성된 미세구멍을 통하여 산화-환원 전해질을 주입시키고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 막음으로서 염료감응 태양전지를 제작하였다. 이때 이용된 산화-환원 전해질으로는 21.928 g의 테트라프로필암모늄 아이오다이드(tertrapropylammonium iodide)와 1.931 g의 I2를 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate) 80 %, 아세토나이트릴(acetonitrile) 20 %로 이루어진 용매에 용해시킨 것을 이용하였다.
염료 감응 태양전지의 효율, 개방전압, 단락전류, 충밀도 등은 100 mW/cm2 세기의 광원과 Si 표준셀을 이용해서 측정한 전류-전압 곡선으로부터 평가되었다.
본 실시예 1에 따른 전류-전압 특성 결과를 도 2의 (b)에 나타내었는데, 특성치는 효율 2.8 %, 개방전압 0.7 V, 단락전류 7.4 mA/cm2, 충밀도 0.53을 보였다.
실시예 2
제1전극의 ITO 위에 RF 마그네트론 스퍼터장비를 이용하여 완충층으로서 40 nm 두께의 치밀한 텅스텐산화물 막을 증착하였다. 증착 조건은 텅스텐산화물(WO3)을 스퍼터 타겟으로 하여 100 W, 알곤, 10 mTorr 작업 압력 하에서 상온 증착하였다.
이렇게 증착된 치밀한 텅스텐산화물 막(완충층) 위에 티타늄산화물 입자 분산액을 이용하여 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 염료 감응 태양전지를 제작하였다.
전류-전압 특성은 도 2의 (c)에 나타내었는데, 특성치는 효율 3.15 %, 개방전압 0.68 V, 단락전류 7.7 mA/cm2, 충밀도 0.6을 보였다.
비교예
비교예에서는 종래와 같이 완충층을 형성하지 않은 경우이다. 즉, 제1전극의 ITO 위에 완충층의 형성 없이 바로 다공성 티타늄산화물 후막을 제작하였다. 다공성 티타늄산화물 후막 제작 공정 및 그 이후의 염료감응 태양전지 제조 방법은 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
도 3의 (a)는 비교예에 의해 제작된 염료감응 태양전지의 전류-전압 곡선을 보여주며, 효율 2.46 %, 개방전압 0.7 V, 단락전류 5.55 mA/cm2, 충밀도 0.63을 보였다.
교류 임피던스 측정
비교예와, 실시예 1 및 2에 따른 각각의 염료감응 태양전지에 대해 100 mW/cm2 광원, 개방전압 하에서 교류 임피던스(ac impedance)측정 분석을 실시하였다. 교류 임피던스 측정 시에는 사인파의 교류가 주입되었고, 이때 교류진폭(amplitude)은 5 mV 였다. 측정 진동수는 100 kHz - 100 mHz 범위에서 측정하였다.
도 3a 내지 3c는 이에 대한 실임피던스-허임피던스(real impedance - image impedance, Z'-Z'') 커브를 보여주며, 도 3a는 완충층이 없는 경우(비교예), 도 3b와 3c는 각각 티타늄산화물막과 텅스텐산화물막을 완충층으로 사용한 경우(각각 실시예 1 및 실시예 2)의 염료감응 태양전지에 대한 결과이다.
도 3a 내지 3c를 보면 염료감응 태양전지 특성을 좌우하는 두 개의 반원이 도시되어 있는데, 왼쪽에 있는 높은 진동수 범위에서의 반원은 Pt 상대전극과 전해질 간의 계면에서 반응하는 산화요오드이온(I3 - )의 환원반응에 대한 정보를 제공하고, 오른쪽에 있는 낮은 진동수 범위에서의 반원은 광음극 특성에 대한 정보를 제공한다.
이들 커브에 따르면 본 발명의 실시예 1 및 2에서와 같이 완충층을 사용한 경우(도 3b 및 3c), 종래의 염료감응 태양전지(도 3a)에 비해 매우 낮은 임피던스 저항값을 가졌으며, 특히 텅스텐산화물 막을 완충층으로 사용한 실시예 2의 경우(도 3b) 가장 작은 임피던스 저항값을 가졌음을 알 수 있다. 이는 완충층을 이용할 경우 종래의 염료감응 태양전지 보다 매우 우수한 전하집접 특성을 가질 수 있음을 의미한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 제1전극과 나노입자로 이루어진 다공질막 사이의 계면에 완충층을 형성하여, 제1전극과 전해질 간의 계면 특성을 개선시키고 계면에서의 홀-전자 재결합을 줄여 전자 집접 특성을 향상시킨다.
또한, 제1전극과 다공질막 간의 접착력을 향상시켜 시간 경과에 따른 다공질막의 박리를 방지하여 내구성을 향상시키는 효과가 있을 뿐만 아니라, 전해질이 제1전극에 직접 닿는 것을 차단하는 역할을 수행하여 단로방지에 의한 효율 향상의 효과를 가져온다.

Claims (17)

  1. 투광성 물질로 이루어진 제1전극 및 제2전극을 준비하는 단계;
    상기 제1전극의 일면 상에 완충층을 형성하는 단계;
    상기 완충층 상에 다공질막을 형성하는 단계;
    상기 다공질막에 염료를 흡착시키는 단계; 및
    상기 제1전극의 다공질막과 마주보도록 제2전극을 배치시키고, 상기 다공질막 및 제2전극 사이에 전해질을 매립하여 밀봉하는 단계
    를 포함하고,
    상기 완충층은 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(CVD), 증기증착(evaporation), 열산화(thermal oxidation), 전기화학적 증착(electrochemical anodization(deposition)) 중의 어느 한 방법에 의해 형성되는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충층은 스퍼터링 방법에 의해 상온 내지 400℃의 온도에서 1 내지 400 nm 의 두께로 형성하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공질막은 전이금속 산화물의 나노입자로 이루어진 염료감응 태양전지 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공질막을 형성하는 단계에서는 상기 다공질막을 구성하는 입자의 분산액을 도포한 후 건조시키는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공질막은 Ti산화물, Zr산화물, Sr산화물, Zn산화물, In산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Mo산화물, W산화물, Sn산화물, Nb산화물, Mg산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, 및 SrTi산화물 중에서 하나 또는 둘 이상의 복합물로 이루어지는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 나노입자의 평균입경은 100nm 이하인 염료감응 태양전지 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노입자의 평균입경은 10-40nm인 염료감응 태양전지 제조 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 다공질막을 형성할 때에는 상기 분산액에 도전성 미립자를 첨가하거나, 상기 다공질막과 동일한 물질이고 평균입경이 150nm 이상인 광산란자를 첨가하거나, 또는 도전성 미립자 및 광산란자 모두를 첨가하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충층은 상기 다공질막보다 낮거나 같은 전도띠 에너지 준위를 가지는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충층은 상기 다공질막보다 더 치밀한 조직을 가지는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충층은 상기 다공질막과 동일한 물질로 이루어지거나 또는 상기 다공질막을 이루는 물질을 포함하는 복합물질로 이루어지는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 완충층은 티타늄산화물, 텅스텐산화물, MnTiO3, BaTiO3, FeTiO3, Nb 2O5, 및 Fe2O3 중의 어느 한 물질로 이루어지는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 염료는 상기 나노입자의 표면에 흡착되어 있는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 염료는 Ru 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 물질을 포함하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극은 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에 ITO. FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2 O3), SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 전도성 필름이 코팅된 염료감응 태양전지 제조 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전극은 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명 한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2 O3), SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 제1전도성 필름이 코팅되어 있고, 상기 제1전도성 필름 상에 Pt 또는 귀금속 물질을 포함한 제2전도성 필름이 코팅된 염료감응 태양전지 제조 방법.
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