KR100783766B1 - 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한염료감응형 태양전지 - Google Patents
탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한염료감응형 태양전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100783766B1 KR100783766B1 KR1020060068352A KR20060068352A KR100783766B1 KR 100783766 B1 KR100783766 B1 KR 100783766B1 KR 1020060068352 A KR1020060068352 A KR 1020060068352A KR 20060068352 A KR20060068352 A KR 20060068352A KR 100783766 B1 KR100783766 B1 KR 100783766B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- carbon nanotube
- electrode
- weight
- parts
- substrate
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 207
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 186
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 185
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 84
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 45
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 33
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 29
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 17
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 15
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 claims description 14
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 10
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 7
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 6
- GPRLSGONYQIRFK-MNYXATJNSA-N triton Chemical compound [3H+] GPRLSGONYQIRFK-MNYXATJNSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000012454 non-polar solvent Substances 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 4
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 3
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims description 2
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 claims description 2
- 238000000713 high-energy ball milling Methods 0.000 claims description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 238000010422 painting Methods 0.000 claims description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 31
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 15
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 3
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 3
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 3
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910021404 metallic carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 150000003058 platinum compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N zinc oxide Inorganic materials [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
- C01B2202/02—Single-walled nanotubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
- C01B2202/04—Nanotubes with a specific amount of walls
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
- C01B2202/06—Multi-walled nanotubes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
본 발명은 탄소나노튜브의 상대밀도를 향상시켜, 전기전도도 및 기판과의 접착력이 우수한 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 특히 기판과, 상기 기판 상측에 코팅된 탄소나노튜브층을 포함하여 이루어지는 탄소나노튜브 전극에 있어서, 상기 탄소나노튜브층은, 용매와, 상기 용매 100중량부에 대해 1~20중량부의 탄소나노튜브 분말과, 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 1~50중량부의 TiO2 나노입자를 포함하는 충진제로 이루어진 페이스트 상태의 조성물을 상기 기판 상측에 코팅시켜 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 염료감응형 태양전지를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 탄소나노튜브에 TiO2를 충진제로써 첨가하여 탄소나노튜브의 상대밀도를 향상시켜 전기전도도 및 기판과의 접착력이 우수하여 효율이 뛰어나며 안정한 전극을 제공할 수 있으며, 또한 상기 탄소나노튜브 전극은 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용될 수 있으며, 고전기전도도 특성 및 우수한 기판 접착력으로 인해 다른 보조 전극 없이 자체적으로 촉매역할을 하면서도, 전기전달용 전극으로도 사용이 가능하므로, 고가의 투명전도성막을 지닌 기판을 사용하지 않아도 되므로 비용이 절감되어 태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
탄소나노튜브 전기전도도 TiO2 상대전극 염료감응 태양전지 기판
Description
도 1 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극의 표면을 나타낸 SEM 사진((a)종래의 탄소나노튜브 전극, (b)본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극).
도 2 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극의 제조방법을 나타낸 블럭도.
도 3 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극에 카본나노블랙이 더 첨가된 경우의 표면을 나타낸 SEM 사진.
도 4 - 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 5 - 염료감응형 태양전지에 있어서 상대전극으로 탄소나노튜브 전극과 백금 전극을 이용한 경우의 I-V특성 곡선.
도 6 - 염료감응형 태양전지에 있어서 상대전극으로 탄소나노튜브 전극을 이용한 경우의 I-V특성 곡선.
도 7 - 염료감응형 태양전지에 있어서 상대전극으로 백금 전극을 이용한 경우의 I-V특성 곡선.
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>
101 : 상부 투명기판 102 : 도전성 투명전극
103 : 염료가 흡착된 다공질 음극전극 104 : 전해질
105 : 탄소나노튜브층 106 : 하부 기판
본 발명은 탄소나노튜브 전극에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브의 상대밀도를 향상시켜, 전기전도도 및 기판과의 접착력이 우수한 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 탄소나노튜브는 전기저항이 10-4Ωcm로 금속에 버금가는 전기전도도를 가지고 있으며, 표면적이 벌크 재료에 비해 1000배 이상 높은 재료로써, 최근 그 제조 및 응용, 적용분야에 있어서 활발히 연구되고 있다. 특히 탄소나노튜브는 형상 및 크기에 따라 금속과 같은 전기적 도체의 성질에서부터 전기가 잘 통하지 않는 반도체의 성질을 가지고 있어 각종 전자회로 분야뿐만 아니라, 화학적, 기계적으로도 매우 안정하므로 초강력 섬유나, 표면재료 분야 등 그 활용분야가 매우 다양할 것으로 기대되고 있다.
일단, 이하에서는 탄소나노튜브가 전기화학적인 목적의 전극으로 사용되는 경우, 특히 염료감응형 태양전지 분야에 사용되는 경우에 대해 살펴보고자 한다.
상기 염료감응형 태양전지는 염료의 태양광 흡수 능력을 이용하여 화학적으 로 발전을 일으키는 태양전지의 일종으로, 유리 기판 위에 음극, 염료, 전해질, 상대전극, 투명 전도성 전극 등을 구비하고 있다. 음극은 나노 다공질막의 형태로 존재하는 TiO2, ZnO, SnO2와 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되어 있고, 이 표면에 단분자 층의 염료가 흡착되어 있다.
태양광이 태양전지에 입사되면, 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다. 이때 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈 자리는 전해질 속의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 양극인 상대전극으로 이동하여 전자를 제공받게 된다. 이때 양극부의 상대전극은 전해질 속에 있는 이온의 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
이러한 상대전극의 작용을 만족시키기 위하여 종래의 염료감응형 태양전지에서의 상대전극으로는 촉매작용이 우수한 백금박막을 주로 사용하고 있으며, 백금과 특성이 비슷한 팔라듐, 은, 금 등의 귀금속과 카본블랙, 그래파이트와 같은 탄소계 전극을 사용하기도 한다.
그런데 백금 전극은 높은 전기전도도와 우수한 촉매특성을 지니고 있으나 가격이 고가이고, 촉매 작용이 일어나는 표면적을 높이는 데 한계가 있어 전지 전체의 촉매 반응속도를 높이는데 한계가 있다. 탄소계 전극의 경우는 가격이 저가이고, 표면적을 백금보다 높이는 것은 가능하나 백금보다 촉매반응 속도가 나쁘기 때 문에 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 단점이 있다. 이에 따라 모듈이 대면적화하면서 가격이 저렴하면서도, 표면적과 전기전도도가 높은 새로운 촉매 상대전극이 필요하다.
또한 기존의 백금 전극의 경우, 기판으로 세라믹과 같은 절연체 기판을 사용하면, 전지가 요구하는 전기전도도를 만족하기 위하여 두꺼운 막으로 제작하여야 하고, 이 경우 고 비용이 들기 때문에 현실적으로 기판을 절연성 물질로 사용하는 것이 불가능하다.
또한 태양전지의 모듈을 대면적으로 제작 시, 기존의 백금전극의 경우, 대형 스파터링 장치와 같은 고가 장비를 사용하거나 고가의 백금 화합물을 사용하여 스크린 프린팅 방법으로 제작하여야 하므로, 제작 경비의 부담이 커서 경제성이 낮아지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상대전극으로써 상기 탄소나노튜브의 사용에 대한 연구가 대두되고 있으며, 탄소나노튜브의 뛰어난 전기전도도 특성과, 넓은 표면적의 특성에 의해 상대전극의 전해질/전극 계면에서의 전해질의 산화환원 반응에 대한 촉매작용을 향상시키고, 상대전극 표면에서의 전자 전달 속도를 높이는 특징으로 가지고 있다.
종래기술로써, 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2005-0079092호 "광전기화학전지", 본 발명자에 의해 발명된 공개번호 10-2006-0033158호 "탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지" 등이 있다.
그러나 종래의 이러한 탄소나노튜브 전극에 대한 연구는 단순히 염료감응형 태양전지의 상대전극으로써 탄소나노튜브를 재료로써 사용할 수 있다는 것이며, 이에 대한 구체적인 기술이 나와 있지 않을뿐더러, 이러한 탄소나노튜브를 종래의 투명한 기판 상측에 코팅시켜 실제 사용을 해보면, 분산특성이 떨어져 탄소나노튜브 자체의 우수한 전기전도도 특성에도 불구하고, 전기전도도가 떨어지는 것을 관찰할 수 있다.
또한 상기 투명한 기판과 기판 상측에 형성된 탄소나노튜브층과의 접착력이 그다지 높지 않아, 기판 상에 코팅된 후에도 탄소나노튜브층이 기판으로부터 분리되거나 흐르는 등 상대전극의 수명이 단축되는 현상을 초래하며, 결과적으로 염료감응형 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
즉, 상기에서 살펴본 바와 같이, 근래의 탄소나노튜브를 이용한 산업분야는 탄소나노튜브를 안정적으로 기판(전자회로분야에서의 전극으로 사용될 경우) 또는 표면코팅대상물(표면코팅재료로 사용될 경우) 등에 코팅시킴으로써, 그 전기전도도 특성과 대상물과의 접착성을 더욱더 향상시켜 안정적으로 탄소나노튜브층을 조성하여 필요에 따른 전기전도도의 개선과, 표면접착력을 개선시켜 제품의 효율을 높이며, 표면 특성을 향상시키기 위한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 탄소나노튜브에 TiO2를 충진제로써 첨가하여 탄소나노튜브의 상대밀도를 향상시켜, 전기전도도 및 기판과의 접착력이 우수한 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이 에 의한 염료감응형 태양전지의 제공을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 기판과, 상기 기판 상측에 코팅된 탄소나노튜브층을 포함하여 이루어지는 탄소나노튜브 전극에 있어서, 상기 탄소나노튜브층은, 용매와, 상기 용매 100중량부에 대해 1~20중량부의 탄소나노튜브 분말과, 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 1~50중량부의 TiO2 나노입자를 포함하는 충진제로 이루어진 페이스트 상태의 조성물을 상기 기판 상측에 코팅시켜 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 염료감응형 태양전지를 기술적 요지로 한다.
또한 상기 TiO2 나노입자는, 0.005~10㎛ 범위에 해당하는 입도를 가진 것이 바람직하다.
또한, 상기 페이스트 상태의 조성물은, 상기 용매 100중량부에 대해 0.5~20.0중량부의 결합제가 더 첨가되는 것이 바람직하고, 또한 상기 결합제는 카복실메틸셀룰로오즈(CMC)로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 용매는, 증류수 또는 카복실메틸셀룰로오즈(CMC) 결합제를 용해시키는 극성 또는 비극성 용매로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 페이스트 상태의 조성물은, 상기 용매 100중량부에 대해 0.001~5.0중량부의 분산제가 더 첨가되는 것이 바람직하며, 또한 상기 분산제는, triton x -100으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 충진제는, 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 카본나노블랙 0.1~80.0중량부가 더 첨가되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 탄소나노튜브는, 단일벽, 다중벽, 탄소나노섬유 중에 적어도 하나를 포함하여 선택되는 것이 바람직하다.
이에 따라 탄소나노튜브에 TiO2를 충진제로써 첨가하여 탄소나노튜브의 상대밀도를 향상시켜 전기전도도 및 기판과의 접착력이 우수하여 효율이 뛰어나며 안정한 전극을 제공할 수 있는 이점이 있으며, 또한 상기 탄소나노튜브에 TiO2뿐만 아니라 결합제, 분산제 등을 혼합하여 상대밀도를 더욱 향상시키며, 균질한 조성물로 기판에의 코팅이 가능하여 탄소나노튜브층의 평활도가 높아 전기전도도 및 기판과의 접착력이 더욱더 향상되며, 아울러 작업성이 개선되는 이점이 있다.
또한 상기 탄소나노튜브 전극은 우수한 촉매 특성을 보이므로 전기화학장치에서의 음극 및 양극으로 사용할 수 있으며, 높은 화학적 안정성으로 인해 기존의 전극에 비해 수명이 긴 이점이 있으며, 또한 상기 탄소나노튜브 전극은 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용될 수 있으며, 고전기전도도 특성 및 우수한 기판 접착력으로 인해 다른 보조 전극 없이 자체적으로 촉매역할을 하면서도, 전기전달용 전극으로도 사용이 가능하므로, 고가의 투명전도성막을 지닌 기판을 사용하지 않아도 되므로 비용이 절감되어 태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 기판과, 기판 상측에 코팅된 탄소나노튜브층으로 크게 구성되어, 전기적 또는 전기화학적 장치에 있어서 전극으로 사용되는 탄소나노튜브 전극에 관한 것이다.
여기에서 기판은 종래의 도전성 기판, 고가의 투명 전도막이 코팅되어 있는 전도성 유리기판(FTO, ITO)이나 전도성 플라스틱, 저가의 도전성이 없는 유리기판, 알루미나기판, 세라믹기판을 포함하는 절연성 기판 등 종래의 모든 기판이 이에 해당된다.
상기 탄소나노튜브층은 탄소나노튜브를 포함하는 층으로써, 일반적으로 증류수를 사용하는 용매, 상기 용매 100중량부에 대해 1~20중량부의 탄소나노튜브 분말과, 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 1~50중량부의 TiO2 나노입자를 포함하는 충진제로 이루어진 페이스트 상태의 조성물을 상기 기판 상측에 코팅시켜 형성된다. 상기 탄소나노튜브로는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 등이 사용될 수 있다.
여기에서 상기 탄소나노튜브는 활성탄소나 흑연, 다이아몬드와 같은 다른 탄소계 물질과는 달리 전기전도성이 매우 우수하고 전계방출 특성이 양호한 특징을 지니고 있다. 이러한 특징은 구조에 따라 탄소의 전자구조가 다르기 때문인데, 즉 전기전도성이 우수한 흑연 속의 탄소는 sp2 결합구조를 지니고 있고, 절연체인 다 이아몬드는 sp3 결합구조를 지니고 있다, 그런데, 탄소나노튜브는 sp2~sp3의 중간 상태의 결합을 하고 있기 때문에, 흑연과 같이 금속과 유사한 만큼의 높은 전기전도도에서 반도체에 해당하는 보다 낮은 전기전도도까지 다양한 전기전도도 특성을 지닌다.
일반적으로 탄소나노튜브를 대량 생산하게 되면 반도체 탄소나노튜브와 금속성 탄소나노튜브가 섞이게 된다. 필요에 따라 이들 다른 탄소나노튜브를 분리하는 공정이 필요하지만, 본 발명에서는 두 종류가 혼합된 상태의 탄소나노튜브를 사용하여도 무방하므로 분리 정제의 공정이 필요가 없이, 저가의 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
또한 상기 탄소나노튜브는 벌크에 비해 1000배 이상의 높은 표면적을 가지는 다공질 상태를 이루므로, 전기화학적 장치에 있어서 산화환원 반응을 위한 표면적이 극대화되어 촉매의 총 반응량을 크게 상승시켜 전기화학적 장치의 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
그리고 상기 충진제는 다공질 상태의 탄소나노튜브 사이를 충진시키는 역할을 하며, TiO2 나노입자를 사용한다. 상기 TiO2는 일반적으로 화학적으로 안정된 세라믹으로써 산화물반도체에 해당되며, 아나타제(anatase), 루타일(rutile), 비정질(amorphous), 브룩카이트(brookite)로 4종류의 결정형을 가지고 있다.
또한 탄소나노튜브 분말과의 분산력 향상을 위해 0.005~10㎛ 크기의 입도를 가지는 것이 적절하며, 바람직하게는 20~100nm 크기가 가장 적절하며, 이를 적정량 의 탄소나노튜브 분말과 함께 상기 용매에 혼합하여 페이스트(반죽) 상태의 조성물을 형성시킨다.
여기에서 TiO2는 상기 탄소나노튜브 사이에 충진되므로써 탄소나노튜브의 상대밀도를 향상시키는 역할을 하게 된다. 일반적으로 탄소나노튜브 자체가 지닌 전기저항은 10-4Ω㎝로 금속에 버금가는 높은 전기전도도를 지니고 있으나, 탄소나노튜브 전극으로 사용할 경우에는 이에 비해 낮은 전기전도도를 띄는 것으로 알려져 있으며, 이는 분산특성이 나쁨에 기인하게 되나, 상기 탄소나노튜브에 TiO2 충진제가 첨가되므로써 상대밀도가 증가되어 분산특성이 개선됨을 알 수 있다. 이는 탄소나노튜브 간이 연결되어 상대밀도를 높일 뿐만 아니라 탄소나노튜브 사이를 전기적으로 연결하는 역할도 수행하게 된다.
또한 상기 TiO2는 활성도가 높아 기판의 표면에 견고하게 고정되어 탄소나노튜브층의 기판에의 접착력을 향상시켜, 전체적으로 탄소나노튜브 전극의 수명을 연장시키게 된다.
여기에서 TiO2 나노입자는 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 1~50중량부 정도의 범위에 해당하는 량을 사용하는 것이 탄소나노튜브층의 전기전도도를 향상시켜 탄소나노튜브 전극으로 사용할 수 있으며, 만약 50~95중량비 정도의 량을 사용하게 되면 TiO2가 부도체의 역할을 하게 되어 오히려 전기전도도를 떨어뜨리므로 전자기 차폐나 기능성 촉매로써 다른 방향으로 사용할 수도 있다.
또한 상대밀도 향상을 위해 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 카본나노블랙을 0.1~80.0중량부로 더 첨가할 수 있으며, 전기전도도의 향상을 위해 0.1~20중량부로 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 전극의 촉매특성이 약해도 충분히 전극의 기능을 행하는 경우에는 0.1~80.0중량부까지 첨가가 가능하다.
여기에서 상기 카본나노블랙은 전기전도성이 우수한 sp2 결합구조를 지닌 흑연계의 물질로써, 상기 탄소나노튜브 분말과 TiO2 나노입자 충진제에 적정량 첨가시켜 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
또한 상기 페이스트 상태의 조성물에는 상기 용매 100중량부에 대해 0.5~20.0중량부의 결합제가 더 첨가되며, 상기 결합제는 탄소나노튜브 간의 접합 및 탄소나노튜브층의 기판 부착력을 더욱 향상시키는 역할을 하게 된다. 상기 결합제로는 카복실메틸셀룰로오즈(CMC)를 사용하는 것이 바람직하며, 이 경우에 상기 용매는, 증류수 또는 카복실메틸셀룰로오즈(CMC) 결합제를 용해시키는 극성 또는 비극성 용매로 형성된 것이 바람직하다.
또한 상기 결합제는 고전기전도성 전극으로 사용할 경우에는 상기 탄소나노튜브 분말과 상기 충진제의 100중량부에 대해 1~20중량부(용매 100중량부에 대해서는 0.5~5.0중량부)를 첨가하면 되고, 약전도성 또는 전자기 차폐용, 절연성 막으로 사용하고자 할 경우에는 그 이상의 량을 첨가하여 사용목적에 따라 적절하게 사용할 수 있다.
여기에서 상기 결합제는 투명전도성 막이 형성된 기판(FTO) 위에 탄소나노튜 브 분말과 결합제만 혼합하여 페이스트 상태의 조성물을 코팅하게 되면, 고전기전도성을 띄는 범위의 전기저항(5~30Ω)을 가지는 것을 알 수 있으며, 이는 탄소나노튜브 전극으로서 사용할 수 있다. 그러나 상기 투명전도성 막이 형성되지 않은 일반적인 절연성의 유리기판 위에 코팅하게 되면, 전기저항이 ㏀ 스케일로 증가하게 되어 전극으로서 기능을 하지 못하게 된다.
따라서 상기 결합제는 투명전도성 막이 형성된 고가의 기판 상측에 소정 비율로 첨가되어 코팅된 경우에는 탄소나노튜브층이 탄소나노튜브 전극으로서 기능을 할 수 있지만, 저가의 절연성의 유리기판 위에서는 그 역할을 못하게 된다. 그러나 본 발명에 따른 충진제로써 TiO2를 소정 비율 첨가하게 되면 전기전도도가 향상되어 탄소나노튜브 전극으로써 사용할 수 있게 되는 것이다. 물론 전극으로 사용하지 않고 전자기 차폐막이나 절연막으로 사용하고자 하는 경우에는 기판의 선택에 따라 상기 충진제 및 결합제를 비율을 달리한다거나 어느 하나 만을 첨가하여 사용목적에 맞게 사용할 수 있다.
또한 상기 탄소나노분말, 충진제 또는 탄소나노분말, 충진제 그리고 결합제의 용매에의 분산특성을 향상시키기 위해 분산제를 상기 용매 100중량부에 대해 0.001~5.0중량부의 비율로 더 첨가할 수 있으며, 이는, 기판에의 코팅 시 균일한 탄소나노튜브층을 형성시켜 작업성을 좋게 하며, 탄소나노튜브층의 평활도를 향상시키는 역할을 한다.
상기 분산제는 중성, 음성, 양성 3종류가 있으며, 충진제 및 결합제의 종류 에 따라 선택하여 사용하며, 본 발명의 경우의 TiO2 및 카복실메틸셀룰로오즈(CMC)인 경우에는 중성의 triton x -100을 사용하는 것이 가장 용매에의 분산특성을 향상시켰다.
상술한 바와 같이 상기 탄소나노튜브 분말 및 충진제, 결합제, 분산제는 사용목적 또는 기판에 따라 선택하여 사용할 수 있으며, 상대밀도를 높이고 분산특성을 향상시키며, 작업성을 좋게 하는 경우에는 이들 모두가 다 첨가되는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기 조성물로 이루어진 페이스트를 만들고, 이를 기판 위에 코팅시켜 탄소나노튜브 전극을 생성하는 제조방법에 대해 살펴보고자 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 제1단계로써, 용매 100중량부에 대해 0.5~20.0중량부의 결합제 및 0.001~1중량부의 분산제를 녹여 분산용액을 제조한다.
그리고 제2단계로써, 상기 용매 100중량부에 대해 1~20중량부의 탄소나노튜브 분말과, 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 1~50중량부의 TiO2 나노입자를 포함하는 충진제를 준비한다.
그리고 제3단계로써, 상기 분산용액에 상기 탄소나노튜브 분말과 TiO2 나노입자를 투입하고 혼합하여 페이스트 상태의 결과물을 형성시킨다. 여기에서 페이스트 형성 방법은, 종래의 볼밀링법(ball milling) 그라인딩법(grinding), 3롤밀링법(3 roll milling), 고에너지볼밀링법(high ball milling) 중에 사용목적에 따라 적어도 하나를 선택하여 사용한다.
그리고 제4단계로써 상기 페이스트 상태의 결과물을 상기 기판 상측에 코팅시킨다. 여기에서 코팅방법은, 닥터블레이드법(doctor blade), 스크린프린팅법(screen printing), 스프레이법(spray), 스핀코팅법(spin coating), 페인팅법(painting), 딥핑법(dipping) 중의 하나에 의해 구현되며, 사용목적에 따라 선택하여 사용한다.
그리고 제5단계로써 상기 제4단계의 결과물을 70~350℃의 온도에서 소성시켜 탄소나노튜브층을 완성하며, 이에 의해 탄소나노튜브 전극이 완성되게 된다.
상기와 같이 제조된 탄소나노튜브 전극은 탄소나노튜브층의 기판에의 접착력이 우수하며, 전기전도도가 향상되어 도전성 기판 외에도 저가의 다양한 기판의 사용이 가능하게 된다.
이에 의해 제조된 탄소나노튜브 전극은 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용할 수 있으며, 이하에서는 이에 대해 살펴보고자 한다.
일반적으로 염료감응형 태양전지는 상부 투명기판(101)과, 상기 상부 투명기판(101)의 내측 표면에 형성된 도전성 투명전극(102)과, 도전성 투명전극(102) 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극(103)과 하부 기판(106) 위에 박막 또는 후막 형태로 형성된 것으로 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극(105),(106)과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질(104)이 구비됨으로써 형성된다.
여기에서 상기 상대전극으로써 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극이 사용된다. 이에 의해 태양광이 소자에 입사되면 광감응 염료 속의 채워진 에너지 궤도에 속하는 전자가 여기되어 전자가 채워지지 않은 빈 궤도로 올라가고, 이 여기 전자는 산화물반도체 다공질 음극전극(103)과 도전성 투명전극(102)을 통하여 외부로 이동한다.
한편, 광감응 염료에서 전자가 빠져나간 자리는 전해질 속에 있는 이온이 탄소나노튜브층(105)과 투명한 하부 기판(106)으로 구성된 상대전극으로부터 전자를 전달함으로써 채워져, 상기 탄소나노튜브층(105)에서 전자의 산화, 환원 반응이 일어나게 되며, TiO2를 포함하는 결합제, 분산제 등에 의해 생성된 탄소나노튜브층(105)은 전기전도도가 개선되어 이러한 전자의 산화, 환원 반응도를 더욱 높이게 된다.
여기에서 상기 탄소나노튜브층(105)은 상대밀도 및 전기전도도의 향상에 의해 하부 기판(106)으로써 도전성 기판을 필요치 않으며, 그 자체로써 산화, 환원 반응의 촉매역할을 할 뿐만 아니라, 전기전달용 전극으로도 사용이 가능하여, 저비용으로 태양전지의 제조 및 설치가 가능하여 상업화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
용매인 증류수에 대해 아래 표 1과 같은 비율로 탄소나노튜브 분말과, TiO2 나노입자, CMC의 중량비를 아래와 같이 조절하고, 페이스트 상태의 조성물을 제조하였다. 여기에서 볼밀링법을 이용하여 페이스트 상태로 만들고, 그 다음 혼합된 페이스트를 원형 또는 실린더형의 볼과 함께 볼밀기에 넣어 볼밀기를 회전시키면서 24시간 동안 혼합시켜 균일한 상태의 최종 페이스트를 제조하였다. 그리고 상기 분산제로써 triton x -100을 용매에 대해 대략 0.005중량부를 투입하여 용액의 분산특성을 더 높였다. 그리고 스핀코팅법을 이용하여 상기 페이스트를 이용하여 유리기판 상측에 두께 범위는 대략 0.001~1mm가 되도록 코팅하고, 대략 150℃ 정도의 온도에서 소성시켜 탄소나노튜브 전극을 완성하였다.
도 1은 이에 의해 제작된 탄소나노튜브 전극의 표면을 나타낸 SEM 사진으로써, 종래의 조성물을 갖는 탄소나노튜브 전극과 본 발명에 따른 조성물을 갖는 탄소나노튜브 전극을 나타낸 것이다. 이는 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 TiO2 나노입자가 10 중량부로 첨가되었으며, CMC는 6.8중량부, 분산제는 용매에 대해 0.005중량부로 투입한 것이며, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극이 상대밀도(충진밀도)와 탄소나노튜브 사이의 연결성이 크게 향상됨을 알 수 있다.
또한 도 3은 카본나노블랙을 상기 조성물에 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 10중량부로 첨가한 것을 나타낸 SEM사진을 나타낸 것이며, 도 3에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브 전극의 상대밀도(충진밀도)향상에 크게 기여함을 알 수 있 다.
다음 표 1은 탄소나노튜브 분말(CNT)과, TiO2 나노입자, CMC의 중량비에 따른 전기저항의 측정결과를 나타낸 것이다. 기판은 전기전도성이 없는 유리기판 위에 1mm x 5cm의 크기로 두께 30㎛의 전극막에 대해 측정한 결과이다.
<표 1>
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이 각 조성물의 성분비에 따른 전기저항의 범위는 0.05~10,000Ω의 범위에 있음을 알 수 있으며, 이 저항값으로부터 고전도성 전극으로써 필요한 1~10Ω의 범위를 1~3order정도로 크게 초월한 우수한 값으로, 최근까지 이 정도의 결과를 제시된 바와 없었다. 사용자는 적절한 조성비의 조성물을 선택하여 사용목적에 따른 탄소나노튜브층이 형성된 탄소나노튜브 전극을 제조할 수 있게 되었다.
그리고 상기 탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지는, 유리로 된 상부 투명기판, 상부 투명기판의 내측(도면상으로는 하면부) 표면에 형성된 SnO2 재질의 도전성 투명전극과, 도전성 투명전극 위에(도면상으로는 하면부) 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 TiO2 다공질 음극전극과 하부 투명기판 위에 박막형태로 형성된 것으로 상기 다공질 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상기의 조성물의 탄소나노튜브층으로 형성된 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에는 p형 반도체의 역할을 담당하는 전해질로 충진하였다.
즉 염료감응형 태양전지의 상대전극으로써 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 사용하였으며, 도 5는 종래의 염료감응형 태양전지의 상대전극으로써 백금(Pt)전극을 이용한 경우와, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 이용한 경우의 I-V특성 곡선을 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 이용한 태양전지가 높은 효율을 지닌 것을 알 수 있었다.
그리고 도 6은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 I-V특성 곡선을 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이 하루 뒤에 측정한 것이 효율이 더 높아진 것을 알 수 있으며, 이는 탄소나노튜브층의 기판에의 안정적인 접착과 탄소나노튜브 전극의 전해질 내에서의 화학적 안정성 및 시간에 따라 전해질에 탄소나노튜브 전극이 확산됨에 따라 반응면적이 넓어지는 것에 의한 것으로 추측된다.
참고로 도 7은 백금 전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 I-V특성 곡선을 나타낸 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이 하루 뒤에 측정한 것이 효율이 더 떨어짐을 알 수 있었다. 이는 백금 전극이 도전성 투명전극과 같은 산화물계의 투명전 극(FTO)에 부착되는 경우에, 부착력이 약하여 전해질이 백금전극과 상기 투명전극의 계면에서 일으키는 화학적인 공격에 의해 쉽게 박리되거나, 음극에 있는 염료가 자외선 또는 전해질에 의해 분해되어 백금전극 표면에 부착되어 착화합물을 형성함으로써 촉매특성을 감소시키기 때문으로 보고 있다.
상기 구성에 의한 본 발명은, 탄소나노튜브에 TiO2를 충진제로써 첨가하여 탄소나노튜브의 상대밀도를 향상시켜 전기전도도 및 기판과의 접착력이 우수하여 효율이 뛰어나며 안정한 전극을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한 상기 탄소나노튜브에 TiO2뿐만 아니라 결합제, 분산제 등을 혼합하여 상대밀도를 더욱 향상시키며, 균질한 조성물로 기판에의 코팅이 가능하여 탄소나노튜브층의 평활도가 높아 전기전도도 및 기판과의 접착력이 더욱더 향상되며, 아울러 작업성이 개선되는 효과가 있다.
또한 상기 탄소나노튜브 전극은 우수한 촉매 특성을 보이므로 전기화학장치에서의 음극 및 양극으로 사용할 수 있으며, 높은 화학적 안정성으로 인해 기존의 전극에 비해 수명이 긴 효과가 있다.
또한 상기 탄소나노튜브 전극은 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용될 수 있으며, 고전기전도도 특성 및 우수한 기판 접착력으로 인해 다른 보조 전극 없이 자체적으로 촉매역할을 하면서도, 전기전달용 전극으로도 사용이 가능하므로, 고가의 투명전도성막을 지닌 기판을 사용하지 않아도 되므로 비용이 절감되어 태양 전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
Claims (30)
- 기판과, 상기 기판 상측에 코팅된 탄소나노튜브층을 포함하여 이루어지는 탄소나노튜브 전극에 있어서,상기 탄소나노튜브층은,용매와, 상기 용매 100중량부에 대해 1~20중량부의 탄소나노튜브 분말과, 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 1~50중량부의 TiO2 나노입자를 포함하는 충진제로 이루어진 페이스트 상태의 조성물을 상기 기판 상측에 코팅시켜 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 제 1항에 있어서, 상기 TiO2 나노입자는,0.005~10㎛ 범위에 해당하는 입도를 가진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 제 1항에 있어서, 상기 페이스트 상태의 조성물은,상기 용매 100중량부에 대해 0.5~20.0중량부의 결합제가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 제 3항에 있어서, 상기 결합제는,카복실메틸셀룰로오즈(CMC)로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 제 4항에 있어서, 상기 용매는,증류수 또는 카복실메틸셀룰로오즈(CMC) 결합제를 용해시키는 극성 또는 비극성 용매로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 제 1항에 있어서, 상기 페이스트 상태의 조성물은,상기 용매 100중량부에 대해 0.001~5.0중량부의 분산제가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 제 6항에 있어서, 상기 분산제는,triton x -100으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 제 1항에 있어서, 상기 충진제는,탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 카본나노블랙 0.1~80.0중량부가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 제 1항 내지 제 8항의 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는,단일벽, 다중벽, 탄소나노섬유 중에 적어도 하나를 포함하여 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극.
- 기판 상측에 탄소나노튜브층을 코팅시켜 탄소나노튜브 전극을 제조하는 방법에 있어서,상기 탄소나노튜브층은,용매에 상기 용매 100중량부에 대해 1~20중량부의 탄소나노튜브 분말과, 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 1~50중량부의 TiO2 나노입자로 이루어진 충진제를 혼합하여, 페이스트 상태의 조성물을 형성시키고, 상기 페이스트 상태의 조성물을 기판 상측에 코팅시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 TiO2 나노입자는,0.005~10㎛ 범위에 해당하는 입도를 가진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 페이스트 상태의 조성물에,상기 용매 100중량부에 대해 0.5~20.0중량부의 결합제를 더 첨가시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 12항에 있어서, 상기 결합제는,카복실메틸셀룰로오즈(CMC)로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 용매는,증류수 또는 카복실메틸셀룰로오즈(CMC) 결합제를 용해시키는 극성 또는 비극성 용매로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 페이스트 상태의 조성물에,상기 용매 100중량부에 대해 0.001~5.0중량부의 분산제가 더 첨가되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 분산제는,triton x -100으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 충진제는,탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 카본나노블랙 0.1~80.0중량부가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 10항 내지 제 17항의 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는,단일벽, 다중벽, 탄소나노섬유 중에 적어도 하나를 포함하여 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 용매 100중량부에 대해 0.5~20.0중량부의 결합제 및 0.001~1중량부의 분산제를 녹여 분산용액을 제조하는 제1단계와;상기 용매 100중량부에 대해 1~20중량부의 탄소나노튜브 분말과, 상기 탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 1~50중량부의 TiO2 나노입자를 포함하는 충진제를 준비하는 제2단계와;상기 분산용액에 상기 탄소나노튜브 분말과 TiO2 나노입자를 투입하고 혼합하여 페이스트 상태의 결과물을 형성시키는 제3단계와;상기 페이스트 상태의 결과물을 기판 상측에 코팅시키는 제4단계와;상기 제4단계에서의 결과물을 열처리시켜 탄소나노튜브층을 형성시키는 제5단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 19항에 있어서, 상기 TiO2 나노입자는,0.005~10㎛ 범위에 해당하는 입도를 가진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 19항에 있어서, 상기 결합제는,카복실메틸셀룰로오즈(CMC)로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 21항에 있어서, 상기 용매는,증류수 또는 카복실메틸셀룰로오즈(CMC) 결합제를 용해시키는 극성 또는 비극성 용매로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 19항에 있어서, 상기 분산제는,triton x -100으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 19항에 있어서, 상기 충진제는,탄소나노튜브 분말 100중량부에 대해 카본나노블랙 0.1~80.0중량부가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 19항에 있어서, 상기 제3단계에서는,볼밀링법, 그라인딩법, 3롤밀링법, 고에너지볼밀링법 중에 적어도 하나를 선택하여 페이스트 상태를 형성시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 19항에 있어서, 상기 제4단계에서의 코팅은,닥터블레이드법, 스크린프린팅법, 스프레이법, 스핀코팅법, 페인팅법, 딥핑법 중의 하나에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 제 19항 내지 제 26항의 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는,단일벽, 다중벽, 탄소나노섬유 중에 적어도 하나를 포함하여 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전극의 제조방법.
- 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성된 도전성 투명전극과, 도전성 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과 하부 기판 위에 박막 또는 후막 형태로 형성된 것으로 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서,상기 상대전극은, 제 9항의 탄소나노튜브 전극으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성된 도전성 투명전극과, 도전성 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과 하부 기판 위에 박막 또는 후막 형태로 형성된 것으로 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서,상기 상대전극은, 제 18항의 탄소나노튜브 전극의 제조방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성된 도전성 투명전극과, 도전성 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과 하부 기판 위에 박막 또는 후막 형태로 형성된 것으로 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서,상기 상대전극은, 제 27항의 탄소나노튜브 전극의 제조방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020060068352A KR100783766B1 (ko) | 2006-07-21 | 2006-07-21 | 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한염료감응형 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020060068352A KR100783766B1 (ko) | 2006-07-21 | 2006-07-21 | 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한염료감응형 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR100783766B1 true KR100783766B1 (ko) | 2007-12-07 |
Family
ID=39140251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020060068352A KR100783766B1 (ko) | 2006-07-21 | 2006-07-21 | 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한염료감응형 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100783766B1 (ko) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100947641B1 (ko) * | 2008-01-04 | 2010-03-12 | 고려대학교 산학협력단 | 다공성 구조를 갖는 탄소나노튜브 전극 제조 방법 |
| CN101562204B (zh) * | 2008-04-18 | 2011-03-23 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 太阳能电池 |
| KR101023021B1 (ko) | 2009-07-17 | 2011-03-24 | 한국과학기술원 | 인버티드 유기 태양전지 및 인버티드 유기 태양전지 제조방법 |
| KR101023020B1 (ko) | 2009-07-17 | 2011-03-24 | 한국과학기술원 | 인버티드 투명 유기 태양전지 및 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법 |
| KR101039907B1 (ko) | 2009-05-02 | 2011-06-09 | 숭실대학교산학협력단 | 요오드 전기환원용 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 |
| KR101072301B1 (ko) | 2008-11-18 | 2011-10-11 | 한국전기연구원 | 다공성 탄소나노튜브 막을 이용한 탄소나노튜브 전극의 제조방법 |
| KR101083310B1 (ko) | 2009-10-30 | 2011-11-15 | 한국전력공사 | 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR101207109B1 (ko) | 2010-10-12 | 2012-12-05 | 김대수 | 나노 파이버 잉크와 그 제조방법 및 이를 이용한 열차단재 및 발열체 |
| KR101220454B1 (ko) * | 2009-05-14 | 2013-01-18 | 한국전자통신연구원 | 염료감응 태양전지 반도체 전극용 비수용성 페이스트 조성물, 이의 제조방법, 이를 이용한 염료감응 태양전지 |
| WO2014073790A1 (ko) * | 2012-11-12 | 2014-05-15 | 한국전기연구원 | 전도성 기판에 화학적으로 결합된 짧은 탄소나노튜브 투명 촉매전극 및 그 제조방법 |
| KR101417996B1 (ko) * | 2012-10-08 | 2014-07-16 | 한국전기연구원 | 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 상대전극으로 이용한 염료감응 태양전지 |
| US8894890B2 (en) | 2010-03-18 | 2014-11-25 | Hyundai Motor Company | Titanium dioxide nano particle modified by surface stabilizer, titanium dioxide nano ink comprising the same, solar cell employing the same, and producing method of the same |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003273381A (ja) | 2002-03-12 | 2003-09-26 | Japan Science & Technology Corp | 完全固体型色素増感太陽電池 |
-
2006
- 2006-07-21 KR KR1020060068352A patent/KR100783766B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003273381A (ja) | 2002-03-12 | 2003-09-26 | Japan Science & Technology Corp | 完全固体型色素増感太陽電池 |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100947641B1 (ko) * | 2008-01-04 | 2010-03-12 | 고려대학교 산학협력단 | 다공성 구조를 갖는 탄소나노튜브 전극 제조 방법 |
| CN101562204B (zh) * | 2008-04-18 | 2011-03-23 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 太阳能电池 |
| KR101072301B1 (ko) | 2008-11-18 | 2011-10-11 | 한국전기연구원 | 다공성 탄소나노튜브 막을 이용한 탄소나노튜브 전극의 제조방법 |
| KR101039907B1 (ko) | 2009-05-02 | 2011-06-09 | 숭실대학교산학협력단 | 요오드 전기환원용 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 |
| KR101220454B1 (ko) * | 2009-05-14 | 2013-01-18 | 한국전자통신연구원 | 염료감응 태양전지 반도체 전극용 비수용성 페이스트 조성물, 이의 제조방법, 이를 이용한 염료감응 태양전지 |
| KR101023021B1 (ko) | 2009-07-17 | 2011-03-24 | 한국과학기술원 | 인버티드 유기 태양전지 및 인버티드 유기 태양전지 제조방법 |
| KR101023020B1 (ko) | 2009-07-17 | 2011-03-24 | 한국과학기술원 | 인버티드 투명 유기 태양전지 및 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법 |
| KR101083310B1 (ko) | 2009-10-30 | 2011-11-15 | 한국전력공사 | 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 |
| US8894890B2 (en) | 2010-03-18 | 2014-11-25 | Hyundai Motor Company | Titanium dioxide nano particle modified by surface stabilizer, titanium dioxide nano ink comprising the same, solar cell employing the same, and producing method of the same |
| US9856388B2 (en) | 2010-03-18 | 2018-01-02 | Hyundai Motor Company | Titanium dioxide nano particle modified by surface stabilizer, titanium dioxide nano ink comprising the same, solar cell employing the same, and producing method of the same |
| KR101207109B1 (ko) | 2010-10-12 | 2012-12-05 | 김대수 | 나노 파이버 잉크와 그 제조방법 및 이를 이용한 열차단재 및 발열체 |
| KR101417996B1 (ko) * | 2012-10-08 | 2014-07-16 | 한국전기연구원 | 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 상대전극으로 이용한 염료감응 태양전지 |
| WO2014073790A1 (ko) * | 2012-11-12 | 2014-05-15 | 한국전기연구원 | 전도성 기판에 화학적으로 결합된 짧은 탄소나노튜브 투명 촉매전극 및 그 제조방법 |
| KR101454391B1 (ko) * | 2012-11-12 | 2014-10-27 | 한국전기연구원 | 전도성 기판에 화학적으로 결합된 짧은 탄소나노튜브 투명 촉매전극 제조방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100783766B1 (ko) | 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 그리고 이에 의한염료감응형 태양전지 | |
| KR100654103B1 (ko) | 탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 모듈 | |
| Sumboja et al. | All‐solid‐state, foldable, and rechargeable Zn‐air batteries based on manganese oxide grown on graphene‐coated carbon cloth air cathode | |
| Patil et al. | Impact of nanosize on supercapacitance: study of 1D nanorods and 2D thin-films of nickel oxide | |
| Li et al. | High-performance and low platinum loading Pt/Carbon black counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
| Joshi et al. | Nickel incorporated carbon nanotube/nanofiber composites as counter electrodes for dye-sensitized solar cells | |
| Koo et al. | Seasoning effect of dye-sensitized solar cells with different counter electrodes | |
| KR100834475B1 (ko) | 탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 모듈 및그 제조방법 | |
| KR101009442B1 (ko) | 전도성 구조체를 이용한 전도성필름 제조방법 및 전도성필름 | |
| Zhang et al. | Fabrication of double-walled carbon nanotube counter electrodes for dye-sensitized solar sells | |
| US20080264482A1 (en) | Dye-sensitized solar cell module and the manufacturing method using carbon nanotube electrode | |
| JP2008021651A (ja) | 触媒が担持されたカーボンナノチューブを用いた太陽電池及びその製造方法 | |
| Al-Bahrani et al. | Enhanced electrocatalytic activity by RGO/MWCNTs/NiO counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
| Theerthagiri et al. | Electrochemical deposition of carbon materials incorporated nickel sulfide composite as counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
| Zatirostami | Electro-deposited SnSe on ITO: A low-cost and high-performance counter electrode for DSSCs | |
| Huang et al. | Solution-processed relatively pure MoS2 nanoparticles in-situ grown on graphite paper as an efficient FTO-free counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
| Gao et al. | Improvement of adhesion of Pt-free counter electrodes for low-cost dye-sensitized solar cells | |
| Wang et al. | g-C3N4/conductive carbon black composite as Pt-free counter electrode in dye-sensitized solar cells | |
| Zhang et al. | Composite electrodes with NiCoAl-LDH coated Ti3C2Tx MXene and incorporated Ag nanowires for screen-printable in-plane hybrid supercapacitors on textiles | |
| KR20100039136A (ko) | 리빙 고분자로 그라프트되어 개질된 탄소나노튜브, 이를 이용한 탄소나노튜브 전극 및 염료감응형 태양전지와, 각각의 제조 방법 | |
| Wu et al. | Electrophoresis of randomly and vertically embedded graphene nanosheets in activated carbon film as a counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
| KR100928219B1 (ko) | 유계 탄소나노튜브 페이스트 조성물과 이를 이용한 유계탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법, 그리고 그 유계탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 | |
| Xi et al. | Direct synthesis of MnO2 nanorods on carbon cloth as flexible supercapacitor electrode | |
| Bashir et al. | Role of carbonaceous matrix and nobel metal doping to boost the electrochemical aptitude of nanostructured MoO3 | |
| Hashmi et al. | High performance low temperature carbon composite catalysts for flexible dye sensitized solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20121010 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130923 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140924 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20161205 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20171201 Year of fee payment: 11 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20181203 Year of fee payment: 12 |