KR100656357B1 - 금속 그리드를 포함하는 투명 전도성 기판 및 이를 구비한염료감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
금속 그리드가 투명 기판의 요부 내에 고정된 투명 전도성 기판 및 이를 구비한 염료감응 태양전지에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 투명 전도성 기판은 소정 레벨의 상면과, 상기 상면으로부터 소정 깊이로 리세스되어 있는 복수의 요부를 가지는 투명 기판과, 상기 투명 기판의 요부 내에 매립되어 있는 금속 박막으로 이루어지고 상기 투명 기판의 상면과 동일한 레벨의 상면을 가지는 그리드와, 상기 투명 기판의 상면 및 상기 그리드의 상면을 덮도록 상기 투명 기판 위에 요철 없이 평탄하게 연장되어 있는 전도성 보호 박막을 포함한다. 그리드가 투명 기판의 요부내에 고정되어 있어 그 위에 전도성 보호 박막을 도포하는 과정에서 발생될 수 있는 금속 그리드의 변형 가능성을 최소화할 수 있으며, 전기적 저항을 낮추어 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리드, 요부, 보호 박막, 저항, 태양전지
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명 전도성 기판(100)의 예시적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지(200)의 예시적인 구성을 보여주는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 투명 전도성 기판, 110: 투명 기판, 110a: 상면, 112: 요부, 120: 그리드, 120a: 상면, 130: 보호 박막, 132: 백금층, 140: 대향 전극, 150: 반도체 전극, 152: 금속 기판, 154: 절연 박막, 156: 전도성 박막, 158: 나노입자 산화물층, 160: 전해질 용액, 162: 격벽, 200: 염료감응 태양전지.
본 발명은 투명 전도성 기판 및 이를 구비한 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 특히 전기적 저항을 낮추기 위한 금속 그리드를 포함하는 투명 전도성 기판 및 이를 구비한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예가 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 바 있다. (미국 특허 제4,927,721호 및 동 제 5,350,644호 참조). 그라첼 등에 의한 태양전지는 염료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 백금 전극, 그리고 이들 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 이 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 전력당 제조 원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있는 가능성이 있다는 점에서 주목받아 왔다.
염료감응 태양전지를 구성하고 있는 나노입자 반도체 전극 및 백금 전극은 각각 전도성 기판위에 형성되는 것으로, 보통 유리 또는 고분자 필름 위에 형성한 인듐-주석-산화물(In2O3:Sn (ITO)) 또는 F-도핑된 산화주석(SnO2:F (FTO))의 전도성 물질을 형성한 기판을 사용하고 있다. 그러나, ITO 또는 FTO를 포함하는 전도성 기판은 면저항이 높아 고효율의 태양전지를 상용화하기 위하여서는 기판의 전기적 저항을 낮추는 것이 중요한 문제로 인식되고 있다. 특히, 구부림이 가능한 태양전지의 경우는 고분자 필름위에 전도성 물질을 도포하는 것이 저온 과정에서 수행되어야 함에 따라 면저항이 전도성 유리 기판에 비하여 더 높은 실정이다.
한편, 종래 기술에서는 전도성 유리 기판 위에 금속 그리드를 형성하거나 (WO2003/081609), 유리 기판위에 금속 그리드를 형성하고 그 위에 전도성 박막을 도포하는(일본 공개특허공보 P2003-203683A 및 P2005-44544A) 방법으로 전도성 기판의 전기적 저항을 낮추고하 한 기술이 발표되었다. 이들 종래 기술에 따라 금속 그리드를 유리 기판 위에 형성하고 그 위에 전도성 물질을 도포하는 데 있어서, 금속 그리드가 유리 표면 위로 돌출되어 있으므로 전도성 물질을 도포하는 과정에서 금속 그리드가 변형되거나 전도성 물질이 금속 그리드 표면과 유리 표면과의 높이 차이로 인하여 균일하게 도포되지 않는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 금속 그리드가 형성된 기판 표면 위에 전도성 물질이 균일한 두께로 형성될 수 있는 구조를 가지는 투명 전도성 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속 그리드가 형성된 기판 표면 위에 전도성 물질이 균일한 두께로 형성될 수 있는 구조를 가지는 투명 전도성 기판을 구비함으로써 전도성 기판의 전기적 저항을 낮추어 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 투명 전도성 기판은 소정 레벨의 상면과, 상기 상면으로부터 소정 깊이로 리세스되어 있는 복수의 요부를 가지는 투명 기판과, 상기 투명 기판의 요부 내에 매립되어 있는 금속 박막으로 이루어 지고 상기 투명 기판의 상면과 동일한 레벨의 상면을 가지는 그리드와, 상기 투명 기판의 상면 및 상기 그리드의 상면을 덮도록 상기 투명 기판 위에 요철 없이 평탄하게 연장되어 있는 전도성 보호 박막을 포함한다.
상기 투명 기판은 구부림이 가능한 고분자 기판으로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 투명 기판은 전도성 유리 기판으로 이루어질 수도 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 금속 기판과, 상기 금속 기판 위에 형성된 절연 박막과, 상기 절연 박막 위에 형성된 전도성 박막과, 상기 전도성 박막 위에 형성되고 염료 분자가 흡착되어 있는 나노입자 산화물층을 포함하는 반도체 전극을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 상기 정의된 본 발명에 따른 투명 전도성 기판과, 상기 투명 전도성 기판의 전도성 보호 박막 위에 형성된 백금층을 포함하는 대향 전극을 포함한다. 상기 반도체 전극과 대향 전극과의 사이에는 전해질 용액이 개재되어 있다.
상기 금속 기판은 구부림이 가능한 금속 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 투명 전도성 기판에서 금속 그리드가 상기 투명 기판의 요부 내에 고정되어 있어 금속 그리드가 변형되는 것이 방지되는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 전기적 저항을 낮춘 전도성 기판을 사용함으로써 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며 재현성을 확보할 수 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다음에 설명하는 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으 며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서, 층 및 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명 전도성 기판(100)의 예시적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명 전도성 기판(100)은 소정 레벨의 상면(110a)과, 상기 상면(110a)으로부터 소정 깊이, 예를 들면 약 1 ∼ 10㎛의 깊이로 리세스되어 있는 복수의 요부(112)를 가지는 투명 기판(110)을 포함한다. 상기 투명 기판(110)은 구부림이 가능한 고분자 기판, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트 또는 폴리에테르설폰으로 이루어지는 기판으로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 투명 기판(110)은 전도성 유리 기판으로 이루어질 수도 있다.
상기 투명 기판(110)의 요부(112) 내에는 금속 박막으로 이루어지는 그리드(120)가 매립되어 있다. 상기 그리드(120)는 상기 투명 기판(110)의 상면(110a)과 동일한 레벨의 상면(120a)을 가진다. 즉, 상기 투명 기판(110)의 상면(110a)과 상기 그리드(120)의 상면(120a)은 동일 수평선상에 위치한다. 상기 그리드(120)는 상기 요부(112) 내에서 약 1 ∼ 10㎛의 폭(W)과, 약 1 ∼ 10㎛의 두께(D)를 가지도록 형성될 수 있다. 상기 그리드(120)는 은, 구리, 아연, 금, 티타늄 및 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 또는 그 합금으로 이루어질 수 있 다.
상기 그리드(120)를 형성하기 위하여, 상기 요부(112)가 형성된 상기 투명 기판(110)상에 스퍼터링 방법으로 금속을 증착할 수 있다. 또는, 점성이 있는 금속을 포함하는 페이스트 (예를 들면 실버 페이스트) 용액으로 상기 요부(112)를 채운 후 용매를 휘발시켜 상기 그리드(120)를 형성할 수도 있다.
상기 투명 기판(110) 및 상기 그리드(120) 위에는 이들의 상면(110a, 120a)을 각각 덮는 전도성 보호 박막(130)이 형성되어 있다. 상기 보호 박막(130)은 상기 투명 기판(110) 및 상기 그리드(120)의 상면(110a, 120a) 위에서 요철 없이 평탄하게 연장되어 있다. 상기 보호 박막(130)은 SnO2:F (FTO), In2O3:Sn (ITO), 및 이들의 조합중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 보호 박막(130)은 예를 들면 스퍼터링 방법에 의해 약 500 ∼ 1500 Å의 두께로 형성될 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 전도성 기판(100)은 유리 또는 고분자 필름으로 이루어지는 투명 기판상에 형성된 미세한 요부 내에 그리드(120)가 형성되어 있다. 상기 그리드(120)가 형성된 투명 기판(110)상에 보호 박막(130)을 형성할 때 하지막에 단차가 없으므로 요철 또는 두께 편차 없이 균일한 막으로 형성할 수 있다. 따라서, 스퍼터링 방법을 이용하여 상기 보호 박막(130)을 형성할 때 상기 그리드(120)가 상기 투명 기판(110)으로부터 박리될 염려가 없으며, 그 구조가 안정적으로 유지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지(200)의 예시적 인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(200)는 도 1에 예시된 본 발명에 따른 투명 전도성 기판(100)과, 상기 투명 전도성 기판(100)의 전도성 보호 박막 위에 형성된 백금층(132)을 포함하는 대향 전극(140)을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(200)는 반도체 전극(150)을 포함한다. 상기 반도체 전극(150)은 금속 기판(152)과, 상기 금속 기판(152) 위에 형성된 절연 박막(154)과, 상기 절연 박막(154) 위에 형성된 전도성 박막(156)과, 상기 전도성 박막(156) 위에 형성되어 있는 나노입자 산화물층(158)을 포함한다.
상기 반도체 전극(150)과 대향 전극(140)과의 사이에는 전해질 용액(160)이 개재되어 있다. 상기 전해질 용액(160)은 열가소성 고분자 재료로 이루어지는 격벽(162)에 의해 밀봉되어 있어 상기 전해질 용액(160)이 새어 나오는 것이 방지된다.
상기 반도체 전극(150)을 구성하는 상기 금속 기판(152)은 구부림이 가능한 금속 재료, 예를 들면 스테인레스 스틸 기판으로 이루어질 수 있다.
상기 절연 박막(154)은 이산화실리콘으로 이루어질 수 있다.
상기 전도성 박막(156)은 SnO2:F (FTO), In2O3:Sn (ITO), 및 이들의 조합중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 나노입자 산화물층(158)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있다. 상기 나노입자 산화물층(158)에는 예를 들면 Ru 착체로 이루어지는 염료 분자가 화학적으로 흡착되어 있다. 상기 나노입자 산화 물층(158)은 충분한 양의 Ru 염료분자가 화학적으로 흡착될 수 있도록 약 5 ∼ 15 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 백금층(132)은 상기 전해질 용액(160)을 사이에 두고 상기 나노입자 산화물층(158)과 대향하도록 배치된다. 상기 백금층(132)을 형성하기 위한 예시적인 방법은 다음과 같다. 먼저, 상기 보호 박막(130) 위에 5 mM 헥사클로로플라티늄산(H2PtCl6·xH2O) 수용액을 분산하고 건조하여 백금 이온을 입힌 후, 그 결과물을 60 mM 나트륨보로하이드레이트(NaBH4) 수용액 처리하여 백금 이온을 백금으로 환원시킨다. 그 후, 증류수로 세척하고, 150 ℃의 저온으로 건조시킨다.
상기 전해질 용액(160)은 요오드계 산화-환원 액체 전해질(I3 -/I-) 용액으로 이루어질 수 있다.
도 2에 예시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작동을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 대향 전극(140)의 투명 기판(110)을 투과한 태양 빛이 백금층(132)을 통과하여 나노입자 산화물층(158)에 흡착된 염료 분자에 의하여 흡수되면, 여기 상태로 들뜨게 된 염료 분자는 전자를 나노입자 산화물층(158)의 전도대로 주입하게 된다. 나노입자 산화물층(158)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 나노입자 산화물층(158)에 접하고 있는 전도성 박막(156)에 전달되고 외부 전선 (미도시)을 통하여 대향 전극(110)으로 이동된다.
전자 전이의 결과로 산화된 염료 분자는 전해질 용액(160) 내의 요오드 이온 의 산화 환원 작용 (3I- → I3 - + 2e-)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며 산화된 요오드 이온(I3 -)은 대향 전극(140)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동 과정이 완성된다. 이 때, 외부 회로를 통하여 도착된 전자는 투명 기판(110)상에 형성된 전도성 보호 박막(130)을 따라 이동하여 그 위에 형성된 백금층(132)에 도달하게 된다. 이러한 과정 중에 외부 회로를 통하여 도착된 전자는 전기적 저항 없이 상기 그리드(120)를 따라 전자의 손실 없이 백금층(132)에 도달할 수 있게 되어, 금속 그리드가 없는 경우에 비해 태양전지의 에너지 변환 효율이 향상되게 된다.
본 발명에 따른 투명 전도성 상면으로부터 소정 깊이로 리세스되어 있는 복수의 요부를 가지는 투명 기판으로 형성된다. 그리고, 상기 투명 기판의 요부 내에 금속 박막을 매립하여 상기 투명 기판의 상면과 동일한 레벨의 상면을 가지는 그리드를 형성한다. 따라서, 상기 투명 기판의 상면 및 상기 그리드의 상면을 덮는 보호 박막이 상기 투명 기판 위에 요철 없이 평탄하게 연장될 수 있다. 특히, 상기 투명 기판으로서 고분자 필름을 사용하는 경우에는 종래 기술에서와 같이 금속 그리드가 기판 위에 돌출되어 있을 때 금속 그리드 위에 전도성 보호 박막을 도포하는 과정에서 금속 그리드가 변형되어 고분자 기판으로부터 분리될 수도 있으나, 본 발명에 따르면 금속 그리드가 상기 투명 기판의 요부 내에 고정되어 있어 금속 그 리드가 변형되는 것이 방지되는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 전기적 저항을 낮춘 전도성 기판을 사용함으로써 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며 재현성을 확보할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (13)
- 소정 레벨의 상면과, 상기 상면으로부터 소정 깊이로 리세스되어 있는 복수의 요부를 가지는 투명 기판과,상기 투명 기판의 요부 내에 매립되어 있는 금속 박막으로 이루어지고 상기 투명 기판의 상면과 동일한 레벨의 상면을 가지는 그리드와,상기 투명 기판의 상면 및 상기 그리드의 상면을 덮도록 상기 투명 기판 위에 요철 없이 평탄하게 연장되어 있는 전도성 보호 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 기판.
- 제1항에 있어서,상기 그리드는 은, 구리, 아연, 금, 티타늄 및 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 또는 그 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도성 기판.
- 제1항에 있어서,상기 투명 기판은 구부림이 가능한 고분자 기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도성 기판.
- 제3항에 있어서,상기 투명 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트 또는 폴리에테르설폰으로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도성 기판.
- 제1항에 있어서,상기 투명 기판은 전도성 유리 기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 투명 전도성 기판.
- 제1항에 있어서,상기 요부는 상기 투명 기판의 상면으로부터 1 ∼ 10㎛의 깊이로 리세스되어 있는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 기판.
- 제1항에 있어서,상기 보호 박막은 SnO2:F (FTO), In2O3:Sn (ITO), 및 이들의 조합중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 전도성 기판.
- 금속 기판과, 상기 금속 기판 위에 형성된 절연 박막과, 상기 절연 박막 위에 형성된 전도성 박막과, 상기 전도성 박막 위에 형성되고 염료 분자가 흡착되어 있는 나노입자 산화물층을 포함하는 반도체 전극과,제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 투명 전도성 기판과, 상기 투명 전도성 기판의 전도성 보호 박막 위에 형성된 백금층을 포함하는 대향 전극과,상기 반도체 전극과 대향 전극과의 사이에 개재되어 있는 전해질 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제8항에 있어서,상기 금속 기판은 구부림이 가능한 금속 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제9항에 있어서,상기 금속 기판은 스테인레스 스틸 기판인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제8항에 있어서,상기 절연 박막은 이산화실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제8항에 있어서,상기 전도성 박막은 SnO2:F (FTO), In2O3:Sn (ITO), 및 이들의 조합중에서 선 택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제8항에 있어서,상기 나노입자 산화물층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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