KR100854711B1 - 차단층을 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극 및 이의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차단층(blocking layer)을 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염료감응 태양전지용 광전극(photo electode)에 있어서, 상기 광전극은 a) 전도성 기판, b) 상기 기판에 형성되며 금속산화물을 포함하는 차단층(blocking layer), 및 c) 상기 차단층 위에 형성되며 금속산화물 나노입자를 포함하고 표면에 감광성 염료가 흡착된 다공질막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 광전극은 전도성 기판과 다공질막 사이에 차단층을 포함함에 따라 기판과 다공질막의 접합성을 향상시킴과 동시에, 기판과 전해질의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지할 수 있으며, 광전극의 투광도가 우수한 장점이 있다.
태양전지, 염료감응, 광전극, 차단층
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 염료감응 태양전지용 광전극의 표면을 SEM으로 촬용한 사진의 사본이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 따른 염료감응 태양전지의 성능 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극의 투광도 측정결과를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10: 광전극 11: 기판 12: 차단층 13: 다공질막
20: 상대전극 21: 기판 22: 백금층
30: 전해질
[산업상 이용 분야]
본 발명은 차단층을 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판과 다공질막의 접합성을 향상시킴과 동시에, 기판과 전해질의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지하고, 투광도가 우수한 염료감응 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
[종래 기술]
염료감응 태양전지(dye-sensitized photovoltaic cell)는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 광전기화학 태양전지로 대표되는 것으로서, 일반적으로 광전극(photo electrode), 상대전극(counter electrode), 및 전해질로 구성되며, 그 중 광전극은 투명전도성 산화물 기판 위에 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속산화물 나노입자 및 감광성 염료를 흡착시켜 사용하고, 상대전극으로는 백금(Pt)을 코팅하여 사용한다.
염료감응 태양전지는 태양광이 입사되면 태양광을 흡수한 감광성 염료가 여기상태(勵起狀態, excited state)로 되어 전자를 금속산화물의 전도대로 보낸다. 전도된 전자는 전극으로 이동하여 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 전기에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대전극으로 이동한다. 그 후, 감광성 염료는 금속산화물에 전달한 전자수 만큼 전해질 용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이때 사용되는 전해질은 산화-환원 반응 에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 감광성 염료에 전달하는 역할을 한다.
이러한 염료감응 태양전지는 그 생산단가가 저렴하여 종래의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 그러나 염료감응 태양전지는 종래의 실리콘 태양전지에 비하여 에너지 전환효율(energy conversion efficiency)이 낮아 상용화가 어려운 단점이 있다.
염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 높이기 위해서는 전지의 감광성 염료에 도달하는 태양광의 손실을 최소화하고, 태양광에 의해 염료에서부터 발생된 전하가 각각의 전극으로 원활하게 이동하도록 하는 것이 중요하다.
염료감응 태양전지를 구성하는 2 개의 전극 중, 금속산화물 나노입자를 포함하는 광전극(photo electrode)은 일반적으로 전도성 기판 위에 금속산화물 나노입자를 포함하는 페이스트를 도포하고 고온에서 소결하는 방법으로 제조된다.
그러나 나노입자의 특성상 상기 페이스트가 전도성 기판에 완벽하게 도포될 수 없으며, 이로 인하여 금속산화물 나노입자가 도포되지 않은 부분의 기판이 전해질과 직접 접촉하게 되어 기판에 도달한 전자가 전해질로 소실되며, 그에 따라 전지의 에너지 전환효율이 낮아지게 된다.
또한 일반적으로 광전극용 기판에는 높은 소결온도에서도 안정한 FTO를 사용하게 되는데, FTO는 표면이 거칠기 때문에 기판에 도달한 태양광이 기판의 거친 표면에서 산란될 수 있으며, 전극의 투명도가 떨어지기 때문에 입사된 태양광이 염료에 효과적으로 전달되지 못하는 단점이 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명의 목적은 기판과 전해질의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지하고, 투광도가 우수한 염료감응 태양전지용 광전극을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 염료감응 태양전지용 광전극(photo electode)에 있어서, 상기 광전극은 a) 전도성 기판, b) 상기 기판에 형성되며 금속산화물을 포함하는 차단층(blocking layer), 및 c) 상기 차단층 위에 형성되며 금속산화물 나노입자를 포함하고 표면에 감광성 염료가 흡착된 다공질막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극을 제공한다.
본 발명에 따르면, 상기 차단층 및 다공질막에 포함되는 금속산화물은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산 화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 차단층의 평균두께는 1 내지 5,000 ㎚인 것이 바람직하며, 상기 다공질막의 금속산화물 나노입자는 평균입경이 5 내지 50 nm인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 염료감응 태양전지용 광전극(photo electode)의 제조방법에 있어서, 광전극용 전도성 기판을 준비하는 단계(제ⅰ단계); 상기 기판의 일면에 금속산화물을 포함하는 차단층(blocking layer)을 형성시키는 단계(제ⅱ단계); 상기 차단층 상에 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 형성시키는 단계(제ⅲ단계); 및 상기 다공질막의 표면에 감광성 염료를 흡착시키는 단계(제ⅳ단계)를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 상기 (제ⅱ단계)는 상기 전도성 기판에 금속산화물 전구체 용액을 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 캐스팅(drop casting)으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 도포한 후 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120 분 동안 열처리하여 차단층을 형성시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 금속산화물 전구체 용액은 메틸알코올, 에틸알코올, 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 증류수로 이루어지는 군에서 1종 이상 선택되는 용매 100 중량부에 대하여, 티타늄클로라이드(Titimium(IV)chloride), 티타늄이소프로폭사이드(Titanium(IV)isopropoxide), 및 티타늄비스에틸아세토아세타토디이소프로폭사이드(Titanium(IV)bis(ethylacetoacetato)diisopropoxide)로 이 루어지는 군에서 1종 이상 선택되는 금속산화물 전구체 0.5 내지 25 중량부를 포함하며, 상기 금속산화물 전구체용액의 농도는 0.01 내지 0.5 몰인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 (제ⅲ단계)는 금속산화물 나노입자, 바인더용 고분자 및 용매를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트(paste)를 상기 차단층 상에 도포한 후 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120 분 동안 열처리하여 다공질막을 형성시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 (제ⅳ단계)는 차단층 및 다공질막이 형성된 기판을 감광성 염료를 포함하는 용액에 1 내지 48 시간 동안 함침하여 다공질막의 표면에 감광성 염료가 흡착되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 광전극(photo electrode), 상기 광전극과 마주보도록 배치된 상대전극(counter electrode), 및 상기 두 전극 사이의 공간에 충진된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기와 같은 광전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 염료감응 태양전지의 광전극의 전도성 기판과 다공질막 사이에 차단층(blocking layer)를 형성시킬 경우, 종래의 광전극에 비하여 기판과 다공질막의 접합성이 향상됨과 동시에, 기판과 전해질의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지할 수 있으며, 광전극의 투광도가 향상된다는 것을 확인하여, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.
먼저, 본 발명은 염료감응 태양전지용 광전극(photo electrode)에 있어서, 상기 광전극은 a) 전도성 기판, b) 상기 기판에 형성되며 금속산화물을 포함하는 차단층(blocking layer), 및 c) 상기 차단층 위에 형성되며 금속산화물 나노입자를 포함하고 표면에 감광성 염료가 흡착된 다공질막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극을 제공한다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 광전극의 구성을 상세히 설명한다.
우선, 본 발명에 따른 광전극에 포함되는 상기 전도성 기판(11)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것을 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에, ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중 어느 하나를 포함하는 전도성 필름이 코팅된 것을 사용할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 차단층(12)은 전도성 기판(11) 상에 형성되는 층으로서, 기판(11)과 다공질막(13)의 접합성을 향상시킴과 동시에, 기판(11)과 전해질(30)의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시키며, 기판(11)의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지하는 역할을 하는 층이다.
상기 차단층의 성분으로는 기판(11)과 전해질(30) 간의 전자 전이를 차단시키는데 필요한 충분한 차단력을 가지면서 염료감응 태양전지의 성능에 영향을 미치지 않는 성분들을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 상기 차단층(12)의 성분으로 타이타늄(Ti)산화물, 지르코 늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 금속산화물을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 차단층(12)의 두께는 기판과 전해질 간의 전자전이 차단성 및 차단효과의 상승률을 고려하여 결정할 수 있으며, 바람직하게는 차단층의 평균두께를 1 내지 5,000 nm가 되도록 할 수 있다.
상기 다공질막(13)은 차단층(12) 상에 형성되는 층으로서, 태양광을 흡수하여 촉매작용(산화-환원 반응) 및 전기전도의 역할을 수행한다.
상기 다공질막(13)에 포함되는 금속산화물 나노입자는 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속산화물 나노입자의 입경은 태양광 흡수능, 촉매작용(산화-환원 반응) 및 전기 전도도 등을 고려하여 결정할 수 있으며, 바람직하게는 평균입경이 1 내지 500 nm, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 nm일 수 있다.
또한, 상기 다공질막의 표면에는 태양광을 흡수하기 위한 감광성 염료가 흡착되는데, 상기 감광성 염료로는 루테늄(Ru) 또는 루테늄 복합체를 포함하여 가시광선을 흡수할 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 감광성 염료를 선택하여 사용할 수 있으므로 특별히 한정하지 않는다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 광전극(10)은 상기와 같이 전도성 기판(11)과 다공질층(13) 사이에 차단층(12)을 포함함에 따라 기판과 다공질막의 접합성을 향상시킴과 동시에, 기판과 전해질의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지할 수 있으며, 광전극의 투광도가 우수한 장점이 있다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율 및 투광도는 실시예 및 비교예들을 통해 설명하기로 한다.
한편, 본 발명은 염료감응 태양전지용 광전극(photo electode)의 제조방법에 있어서,
광전극용 전도성 기판을 준비하는 단계(제ⅰ단계);
상기 기판의 일면에 금속산화물을 포함하는 차단층(blocking layer)을 형성시키는 단계(제ⅱ단계);
상기 차단층 상에 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 형성시키는 단계(제ⅲ단계); 및
상기 다공질막의 표면에 감광성 염료를 흡착시키는 단계(제ⅳ단계)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법을 제공한다.
먼저, 본 발명에 따른 광전극의 제조방법은 광전극용 전도성 기판을 준비하는 단계(제ⅰ단계)를 거친다.
상기 광전극용 전도성 기판(21)은 전술한 바와 같이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것에서 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에, ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 전도성 필름이 코팅된 것을 사용할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 상기 기판의 일면에 금속산화물을 포함하는 차단층(blocking layer)을 형성시키는 단계(제ⅱ단계)를 거친다. 상기 (제ⅱ단계)에서는 광전극용 기판의 전도성면에 원하는 전극면적만큼을 마스킹(masking)한 후, 그 위에 차단층 성분을 포함하는 조성물을 코팅하고 열처리하는 방법으로 수행할 수 있다.
이때, 상기 차단층 성분을 포함하는 조성물은 금속산화물 전구체(metal oxide precursor) 및 용매를 포함하는 금속산화물 전구체 용액일 수 있다.
상기 금속산화물 전구체는 열처리에 의해 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸 듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 금속산화물을 형성시킬 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 티타늄클로라이드(Titimium(IV)chloride), 티타늄이소프로폭사이드(Titanium(IV)isopropoxide), 및 티타늄비스에틸아세토아세타토디이소프로폭사이드(Titanium(IV)bis(ethylacetoacetato)diisopropoxide)로 이루어지는 군에서 1종 이상 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 금속산화물 전구체 용액에 포함되는 용매는 메틸알코올, 에틸알코올, 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 증류수로 이루어지는 군에서 1종 이상 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 금속산화물 전구체 용액은 상기 유기용매 100 중량부에 대하여 금속산화물 전구체 0.5 내지 25 중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 특히 금속산화물 전구체용액의 농도는 0.01 내지 0.5 몰인 것이 바람직하다. 즉, 금속산화물 전구체의 농도는 최소한의 광전류밀도 향상효과를 달성하기 위하여 0.01 몰 이상으로 포함되는 것이 바람직하며, 광전류밀도의 상승도를 고려하여 0.5 몰 이하로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 금속산화물 전구체 용액은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 및 드롭 캐스팅(drop casting)등의 방법으로 상기 전도성 기판에 도포할 수 있으며, 그 중 스핀 코팅법으로 도포하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기와 같이 금속산화물 전구체 용액을 기판에 도포한 후에 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120 분 동안 열처리하여 차단층을 형성시키는 것이 바람직하며, 이때, 상기 차단층은 1 내지 5,000 ㎚의 두께로 형성시키는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 차단층 상에 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 형성시키는 단계(제ⅲ단계)를 거친다. 이때, 상기 (제ⅲ단계)는 금속산화물 나노입자, 바인더용 고분자 및 용매를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트(paste)를 상기 차단층 상에 도포한 후 열처리하는 방법으로 수행할 수 있다.
상기 금속산화물 나노입자 페이스트(paste)에 포함되는 금속산화물 나노입자는 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 금속산화물 나노입자는 태양광 흡수능, 촉매작용(산화-환원 반응) 및 전기 전도도 등을 고려하여 평균입경이 500 nm 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 nm일 수 있다.
상기 금속산화물 나노입자 페이스트(paste)에 포함되는 바인더용 고분자 및 용매는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것에서 선택하여 사용할 수 있으므로 특별히 한정하지 않는다.
상기와 같은 금속산화물 나노입자 페이스트를 차단층 상에 도포한 후, 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120 분 동안 열처리하여 다공질막을 형성시킬 수 있다.
이어서, 상기 다공질막의 표면에 감광성 염료를 흡착시키는 단계(제ⅳ단계)를 거친다. 상기 (제ⅳ단계)는 차단층 및 다공질막이 형성된 기판을 감광성 염료를 포함하는 용액에 1 내지 48 시간 동안 함침하여 다공질막의 표면에 감광성 염료가 흡착되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 감광성 염료로는 루테늄(Ru) 또는 루테늄 복합체를 포함하여 가시광선을 흡수할 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 감광성 염료를 선택하여 사용할 수 있으므로 특별히 한정하지 않는다.
한편, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 광전극(10), 상기 광전극과 마주보도록 배치된 상대전극(20), 및 상기 두 전극 사이의 공간에 충진된 전해질(30)을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 광전극용 전도성 기판(11)의 일면에 차단층(12) 및 다공질막(13)이 순차적으로 적층된 광전극, 또는 전술한 방법에 의해 제조되는 광전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
상기 전해질(30)은 도 1에서 설명의 편의상 한 층으로 도시되어 있지만, 실제로는 광전극(10) 및 상대전극(20) 사이의 공간에서 다공질막(13)인 금속산화물 나노입자층의 내부에 균일하게 분산되어 있는 것이다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 광전극용 전도성 기판(11)의 일면에 차단층(12) 및 다공질막(13)을 순차적으로 적층시킨 광전극(10)을 포함하는 것에 특징이 있으므로, 이를 제외한 상기 상대전극(20) 및 전해질(30) 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 구성을 포함할 수 있으며, 그 제조방법 또한 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로 특별히 제한하지 않는다.
예를 들면, 상기 상대전극은 전도성 기판의 일면에 백금층(22) 또는 탄소층이 적층된 것을 사용할 수 있으며, 상기 전해질(30)은 iodide/triodide 쌍으로서 산화-환원에 의해 상대전극(20)으로부터 전자를 받아 광전극(10)의 염료에 전달하는 역할을 할 수 있는 것을 사용할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 염료감응 태양전지의 제조방법은 전술한 방법으로 제조된 광전극(10)을 별도로 준비된 상대전극(20)의 백금층(22)과 마주보도록 배치하고, 두 전극 사이에 전해질(30)을 충진하는 단계를 거쳐 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
(광전극의 제조)
광전극용 기판으로서 FTO가 코팅된 유리기판을 준비하였고, 상기 기판의 전도성면 쪽에 접착테이프를 이용하여 1.5 ㎠의 면적으로 마스킹하였다.
이어서, 0.05몰 농도의 티타늄비스에틸아세토아세타토디이소프로폭사이드(Titanium(IV)bis(ethylacetoacetato)diisopropoxide) 용액(용매: 에틸알코올)을 스핀 코터(2000 rpm)를 이용하여 기판 위에 도포한 후, 500 ℃에서 20 분 동안 열처리하여 차단층을 형성시켰다.
이어서, 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm), 바인더용 고분자(에틸셀룰 로오스), 및 용매(Terpineol)를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 상기 차단층 위에 도포(닥터블레이드[doctor blade]법 이용)한 후, 기판을 500 ℃에서 15 분간 열처리하여 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 형성시켰다.
이어서, 상기 기판을 감광성 염료[Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2] 0.3 mM을 포함하는 에탄올 용액에 12 시간 동안 침지하여 다공질막의 표면에 감광성 염료를 흡착시켜 광전극을 제조하였다.
(상대전극의 제조)
상대전극용 기판으로 FTO가 코팅된 유리기판을 준비하였고, 상기 기판의 전도성면 쪽에 접착테이프를 이용하여 1.5 ㎠의 면적으로 마스킹한 후, 그 위에 H2PtCl6 용액을 스핀 코터로 코팅하였고, 500 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 상대전극을 제조하였다.
(전해질 주입 및 봉합)
앞서 제조한 광전극과 상대전극 사이의 공간에 LiI(0.5M) 및 I(0.05M)을 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예
2 내지 6
실시예 2 내지 6은, 하기 표 1과 같이, 광전극의 제조과정에서 산화티타늄 전구체의 농도를 각각 다르게 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
| 실시예 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 농도 (M) | 0.050 | 0.100 | 0.150 | 0.175 | 0.200 | 0.250 |
비교예
1
광전극의 제조과정에서 차단층을 형성시키지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실험예
1
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 광전극에 대하여 각각의 표면 상태를 SEM을 이용하여 관찰하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
첨부된 도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1은 기판의 표면이 거친 반면에, 실시예 1의 기판은 차단층이 적층됨에 따라 표면이 매끄럽게 코팅됨을 확인할 수 있다.
실험예
2
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조한 각각의 염료감응 태양전지에 대하여 하기와 같은 방법으로 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency), 및 충진계수(fill factor)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 도 3에 나타내었다.
(1) 개방전압(V) 및 광전류밀도(㎃/㎠)
: 개방전압과 광전류 밀도는 Keithley SMU2400 을 이용하여 측정하였다.
(2) 에너지 변환효율(%) 및 충진계수(%)
: 에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[300W, Oriel], AM1.5 filter, 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하였고, 충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 하기 계산식을 이용하여 계산하였다.
[계산식]
상기 계산식에서, J는 변환효율 곡선의 Y축값이고, V는 변환효율 곡선의 X축값이며, Jsc 및 Voc는 각 축의 절편값이다.
| 구 분 | 전구체 농도(M) | 개방전압(V) | 광전류밀도(㎃/㎠) | 충진계수(%) | 변환효율(%) |
| 실시예 1 | 0.050 | 0.731 | 15.4 | 71.5 | 8.05 |
| 실시예 2 | 0.100 | 0.740 | 15.6 | 71.5 | 8.24 |
| 실시예 3 | 0.150 | 0.745 | 16.0 | 71.4 | 8.59 |
| 실시예 4 | 0.175 | 0.745 | 15.7 | 72.1 | 8.30 |
| 실시예 5 | 0.200 | 0.745 | 15.2 | 71.0 | 8.14 |
| 실시예 6 | 0.250 | 0.747 | 15.2 | 71.5 | 8.00 |
| 비교예 1 | - | 0.733 | 14.9 | 71.1 | 7.80 |
상기 표 2 및 첨부된 도 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 6의 광전극은 비교예 1의 광전극에 비하여 에너지 변환효율이 우수하며, 특히 금속산화물 전구체의 농도가 0.150 M(실시예 3)인 경우에 에너지 변환효율이 가장 우수함을 알 수 있다. 이와 같이 차단층 도입에 따른 에너지 변환효율의 증가는 차단층이 기판에 촘촘하게 도포되어 기판과 전해질간의 전자전이를 차단함으로써 광전류밀도가 향상되는 것이 기인한다.
실험예
3
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 염료감응 태양전지용 상대전극에 대하여 흡광광도계(Agilent8453)로 투광도를 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
첨부한 도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 광전극은 기판과 다공질막 사이에 차단층을 포함함에 따라 비교예 1(차단층 불포함)의 광전극에 비하여 투광도가 우수하여 많은 양의 광이 감광성 염료에 도달할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 광전극은 전도성 기판과 다공질막 사이에 차단층을 포함함에 따라 기판과 다공질막의 접합성을 향상시킴과 동시에, 기판과 전해질의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지할 수 있으며, 광전극의 투광도가 우수한 장점이 있다.
Claims (15)
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- 염료감응 태양전지용 광전극(photo electode)의 제조방법에 있어서,광전극용 전도성 기판을 준비하는 단계(제ⅰ단계);상기 전도성 기판의 일면에 금속산화물을 전구체 용액을 도포한 후 열처리하여 차단층(blocking layer)을 형성시키는 단계(제ⅱ단계);상기 차단층 상에 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 형성시키는 단계(제ⅲ단계); 및상기 다공질막의 표면에 감광성 염료를 흡착시키는 단계(제ⅳ단계)를 포함하며,상기 금속산화물 전구체 용액은 메틸알코올, 에틸알코올, 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 증류수로 이루어지는 군에서 1종 이상 선택되는 용매 100 중량부에 대하여, 티타늄클로라이드(Titimium(IV)chloride), 티타늄이소프로폭사이드(Titanium(IV)isopropoxide), 및 티타늄비스에틸아세토아세타토디이소프로폭사이드(Titanium(IV)bis(ethylacetoacetato)diisopropoxide)로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 금속산화물 전구체를 0.5 내지 25 중량부로 포함하며, 상기 금속산화물 전구체용액의 농도는 0.01 내지 0.5 몰인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
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- 제5항에 있어서,상기 금속산화물 전구체 용액의 도포는 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 캐스팅(drop casting)으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 수행하는 것인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 열처리는 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120 분 동안 수행하는 것인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 (제ⅱ단계)는 차단층을 1 내지 5,000 ㎚의 두께로 형성시키는 것인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 (제ⅲ단계)는 금속산화물 나노입자, 바인더용 고분자 및 용매를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트(paste)를 상기 차단층 상에 도포한 후 열처리하여 다공질막을 형성시키는 것인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 열처리는 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120 분 동안 수행하는 것인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 (제ⅳ단계)는 차단층 및 다공질막이 형성된 기판을 감광성 염료를 포함하는 용액에 1 내지 48 시간 동안 함침하여 다공질막의 표면에 감광성 염료가 흡착되도록 하는 것인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 차단층 및 다공질막에 포함되는 금속산화물은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y) 산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 광전극(photo electrode), 상기 광전극과 마주보도록 배치된 상대전극(counter electrode), 및 상기 두 전극 사이의 공간에 충진된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서,상기 제5항 및 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 광전극을 포함하며,상기 광전극은 a) 전도성 기판, b) 상기 기판에 형성되며 금속산화물을 포함하는 1 내지 5,000 ㎚의 두께의 차단층(blocking layer), 및 c) 상기 차단층 위에 형성되며 평균입경이 1 내지 500 nm인 금속산화물 나노입자를 포함하고 표면에 감광성 염료가 흡착된 다공질막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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