KR100904684B1 - 샌드위치형 고효율 염료감응 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속망에 이온환원촉매(백금, 활성탄, 카본나노튜브 등)이 코팅된 하나의 상대전극과 염료가 흡착된 나노입자 산화물이 코팅된 두 개의 작업전극으로 구성되고, 작업전극과 상대전극 사이에 주입된 전해액, 전해액이 누출되지 않도록 작업전극과 상대전극을 접합하는 필름을 포함하는 샌드위치형 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 전해액이 통과할 수 있는 전도성 금속망을 이용한 전극제조에 의하여 전해액과 빛이 통과할 수 있는 구조의 전극을 제조하여 가운데에 위치시키고 양단에 전도성 투명판(전도성 투명 유리, 전도성 고분자 필름)을 이용한 전극을 위치시킨 샌드위치형 염료감응 태양전지로 기존의 염료태양전지에 비해 고효율의 태양전지를 제조할 수 있다.
염료감응, 태양전지, 고효율, 나노입자 산화물, 전해질, 샌드위치 형

Description

샌드위치형 고효율 염료감응 태양전지{SANDWICH TYPE HIGH PERFORMANCE DYE-SENSITIZED SOLAR CELL}
도 1은 본 발명에 따른 금속망을 이용한 상대전극을 적용한 샌드위치 구조의 염료감응형 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 태양전지와 본 발명에서 제조한 염료감응형 태양전지의 전지효율을 측정한 시험결과를 비교하여 나타내는 그래프이다.
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 특히 나노입자 산화물에 염료가 흡착된 작업전극을 갖는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
염료감응형 태양전지는 반도체 접합 태양전지와는 달리 광합성 원리를 이용한 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로는 스위스의 그라첼(Gratzel)에 의하여 발표된 것이다. 그라첼 등에 의해 발표된 염료감응 태양전지는 표면에 루테늄계 염료 분자가 이온결합한 나노입자 산화물 전극에 태양 빛 (가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생 시키게 된다. 이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조과정이 단순하고, 전력당 제조단가가 저렴하기 때문에 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성 때문에 많은 주목을 받아왔다.
그러나 상기 발표된 종래의 염료감응 태양전지는 전자전달 층인 나노입자 산화물 전극의 두께가 15 μm 이상 되면 전자 전달이 원활히 이루어지지 않아서 효율 증대에 한계가 있기 때문에 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 효율이 낮은 단점이 있다.
상기와 같이 낮은 효율의 염료감응형 태양전지의 단점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 전해질과 빛이 투과할 수 있는 금속망에 백금을 코팅하여 상대전극을 형성하고 양단에 두 개의 작업전극을 붙이는 샌드위치 구조의 염료감응형 태양전지를 제조하여 하나의 단위전지에서 두 개의 음극과 하나의 양극이 형성되는 고효율의 태양전지의 제조방법 및 그러한 방법에 의해서 제조된 태양전지를 제공하는데 있다.
본 발명은 두 개의 작업전극과 그 사이에 하나의 상대전극을 형성시키고 작업전극과 상대전극 사이에 전해질을 주입하여 단위 전지 당 전력 생산 효율이 현저 하게 향상된 염료감응 태양전지를 제공하고 있다.
상기한 바와 같은 고효율 태양전지의 제조를 위한 본 발명의 샌드위치형 염료감응 태양전지의 제조방법은 두 개의 전도성 투명판에 나노입자 산화물을 코팅하고 염료를 흡착시켜 두 개의 작업전극을 제작하는 단계, 금속망에 이온환원촉매를 코팅한 상대전극을 형성시키는 단계, 상기 제작된 상대전극을 가운데 위치시키고 양단에 두 개의 작업전극을 위치시켜 결합시키데 상대전극과 두 작업전극 사이에 전해질이 위치하는 공간을 유지시키면서 열가소성 수지에 의하여 결합시키는 단계, 및 전해질을 주입하고 열가소성 수지로 밀봉하는 단계를 포함하여 샌드위치형 염료감응 태양전지를 제조하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 단계를 가지는 본 발명은 기존의 염료감응 태양전지의 단점을 극복하기 위하여 전해액과 빛이 투과할 수 있는 금속망을 이용한 전극을 사용한 샌드위치 구조를 형성하여 기존의 염료감응 태양전지에 비해 많은 양의 전력을 생산할 수 있게 설계하였다. 이러한 본 발명에 의한 샌드위치 구조의 염료감응 태양전지는 하나의 단위전지에서 두 개의 음극과 하나의 양극을 형성하기 때문에 기존 태양전지에 비하여 높은 효율을 낼 수 있다는 장점을 가진다.
본 발명은 또한 전도성 투명판에 나노입자 산화물을 코팅하고 염료를 흡착시킨 두 개의 작업전극; 이온환원촉매가 코팅된 금속망을 포함하며 상기 작업전극 사이에 위치하는 하나의 상대전극; 및 상기 상대전극과 작업전극 사이에 주입된 전해 질을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공하고 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속망을 이용한 상대전극을 적용한 샌드위치 구조의 염료감응형 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면으로 금속망(1)에 이온환원촉매(2)를 코팅시켜 상대전극을 형성하여 가운데에 위치시키고, 양단에 전도성 투명판(6)에 나노입자 산화물에 염료가 흡착된 층(4)이 형성된 작업전극을 위치시킨 후, 열가소성수지(5)를 이용하여 밀봉하고 전해액(3)을 주입하여 제작된 구조이다.
보다 구체적인 각 단계를 설명하면 다음과 같다.
상기 작업전극은 전도성 투명판(6)에 염료가 흡착된 나노입자 산화물 층(4)을 포함한다. 전도성 투명판(6)은 전도성 투명 유리 혹은 전도성 고분자 필름이고, 바라직하게는 전도성 투명 유리이다. 상기 나노입자 산화물층(4)은 5 ~ 15 μm의 구께로 구성한다. 상기 나노입자 산화물층(4)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)층일 수 있다. 상기 염료가 흡착된 나노입자 산화물층(4)에는 염료 분자가 흡착되어 있으며, 염료분자로는 루테늄착물이 바람직하다.
상기 상대전극은 전도성 금속망(1)에 이온환원촉매가 코팅되어 있어 전해질로의 전자 전달이 원활히 이루어지는 구조이다. 이온환원 촉매는 백금, 활성탄, 카본나노튜브 등이며, 바람직하게는 백금이다. 상기 전도성 금속망은 스테인레스 스 틸 혹은 알루미늄 등의 금속으로 제조가 가능하며, 스테인레스 스틸로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 작업전극과 상대전극 사이에는 전해질 용액(3)이 주입된다. 상기 전해질 용액(3)은 새어나오지 않도록 썰린 1702(Surlyn 1702: 듀퐁사의 제품명)과 같은 열가소성 수지(5)로 밀봉된다. 상기 전해질 용액은 요오드계 산화환원 액체 전해질을 이용하며, 예를 들어 0.1M의 LiI, 0.05M의 I2, 0.3M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide)를 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액을 이용한다.
이하에서는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 작동방법을 설명한다. 구체적으로 도 1의 구조와 같은 샌드위치형 염료감응형 태양전지의 경우 투명한 전도성 투명판을 투과한 태양빛이 위면과 아래면의 작업전극의 염료분자를 여기시켜 전자가 들뜨게 되고 들뜬 전자는 나노입자 산화물층으로 전달되어 전도성 유리를 통하여 이동된다. 상기 전자 전이의 결과로 산화된 염료분자는 전해질 용액내의 요오드 이온의 산화 (3I- → I3 - + 2e-)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 전도성 금속망을 적용한 작업전극에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응형 태양전지의 작동과정이 완성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 구체 예를 실시예로서 설명하는데, 이로써 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
전도성 유리 기판에 나노 TiO2 산화물 페이스트(스위스 쏠라로닉스 사의 T/SP 페이스트)를 스크린 프린팅과 470℃에서 30분간의 열처리에 의하여 12 μm 두께로 코팅한 후 N719 용액(루테늄 535-비스 TBA(Ruthenium 535-bis TBA) 0.035g, 아세토니트릴 50g, t-부틸 알코올 50g)(여기서, TBA는 테트라부틸 암모늄( tetrabutyl ammonium)이다)에 담그어 24시간 동안 방치하여 염료를 흡착시킨 후 꺼내어 아세토니트릴(acetonitrile) 용매에 두 번 세척하고 건조시켜 작업전극을 준비하였다. 스테인레스스틸망에 백금용액(H2PtCl6 0.0517g, 10g 2-프로판올)을 떨어뜨리고 건조시킨 후 450℃에서 30분간의 열처리 하여 상대전극을 준비하였다. 두 개의 작업전극 사이에 상대전극을 위치시키고 세 전극 사이를 썰린으로 접합시켰다. 썰린으로 세 전극을 접합 할 때는 전해질을 주입할 공간을 비워둔다. 비워 둔 공간으로 전해질을 주입하고 에폭시 수지로 밀봉하여 샌드위치형 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 2
전도성 유리 기판에 나노 TiO2 산화물 페이스트(스위스 쏠라로닉스 사의 T/SP 페이스트)를 스크린 프린팅과 470℃에서 30분간의 열처리에 의하여 12 μm 두께로 코팅한 후 N3 용액(루테늄 535) 0.035g, 에탄올 100g)에 담그어 12시간 동안 방치하여 염료를 흡착시킨 후 꺼내어 에탄올(ethanol) 용매에 두 번 세척하고 건조시켜 작업전극을 준비하였다. 스테인레스스틸망에 백금용액(H2PtCl6 0.0517g, 10g 2-프로판올)을 떨어뜨리고 건조시킨 후 450℃에서 30분간의 열처리 하여 상대전극을 준비하였다. 두 개의 작업전극 사이에 상대전극을 위치시키고 세 전극 사이를 썰린으로 접합시켰다. 썰린으로 세 전극을 접합 할 때는 전해질을 주입할 공간을 비워둔다. 비워 둔 공간으로 전해질을 주입하고 에폭시 수지로 밀봉하여 샌드위치형 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 3
전도성 유리 기판에 나노 TiO2 산화물 페이스트(스위스 쏠라로닉스 사의 T/SP 페이스트)를 스크린 프린팅과 470℃에서 30분간의 열처리에 의하여 12 μm 두께로 코팅한 후 N719 용액(루테늄 535-비스 TBA(Ruthenium 535-bis TBA) 0.035g, 아세토니트
릴 50g, t-부틸 알코올 50g)에 담그어 24시간 동안 방치하여 염료를 흡착시킨 후 꺼내어 아세토니트릴(acetonitrile) 용매에 두 번 세척하고 건조시켜 작업전극을 준비하였다. 스테인레스스틸망에 카본나노튜브 페이스트를 스크린 프린팅하고, 건조시킨 후 550℃에서 30분간의 열처리 하여 상대전극을 준비하였다. 두 개의 작업전극 사이에 상대전극을 위치시키고 세 전극 사이를 썰린으로 접합시켰다. 썰린으로 세 전극을 접합 할 때는 전해질을 주입할 공간을 비워둔다. 비워 둔 공간으 로 전해질을 주입하고 에폭시 수지로 밀봉하여 샌드위치형 염료감응 태양전지를 제조하였다.
시험예
본 발명의 방법에 의해서 제작된 샌드위치형 염료감응 태양전지의 효율을 검증하기 위하여, 성능시험을 하였다. 도 2는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조한 샌드위치형 염료감응 태양전지의 전지효율을 측정한 시험결과이다. 도 2로부터 알 수 있듯이 본 발명에 의한 샌드위치형 염료감응 태양전지의 경우 태양빛을 받는 면쪽의 작업전극(음극)과 백금이 코팅된 금속망 양극을 연결하면 기존의 염료감응형 태양전지와 비슷한 전력을 생산할 수 있다. 그리고 태양빛을 받는 반대쪽 작업전극(음극)과 백금이 코팅된 금속망 양극을 연결하면 추가로 전력생산이 가능하다.
본 발명은 전해액과 빛이 투과할 수 있는 금속망을 이용한 전극을 사용한 샌드위치 구조를 형성하여 하나의 단위전지에서 두 개의 음극과 하나의 양극이 형성되기 때문에 기존의 염료감응 태양전지에 비해서 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 두 개의 전도성 투명판에 나노입자 산화물을 코팅하고 염료를 흡착시켜 두 개의 작업전극을 제작하는 단계, 금속망에 이온환원촉매를 코팅한 상대전극을 형성시키는 단계, 상기 제작된 상대전극을 가운데 위치시키고 양단에 두 개의 작업전극을 위치시켜, 상대전극과 두 작업전극 사이에 전해질이 위치하는 공간을 유지시키면서 열가소성 수지에 의하여 결합시키는 단계, 및 전해질을 주입하고 열가소성 수지로 밀봉하는 단계를 포함하여 샌드위치형 염료감응 태양전지를 제조하는 방법
  2. 제 1항에 있어서, 나노입자 산화물이 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 염료가 루테늄착물임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속망이 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 제조된 금속망임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 나노입자 산화물이 5 ~ 15 μm의 구께로 유리전극에 코팅됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 이온환원촉매가 백금, 카본나노튜브(CNT: Carbon nano tube), 또는 활성탄임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질 용액이 요오드계 산화환원 액체 전해질 용액임을 특징으로 하는 방법.
  8. 전도성 투명판에 나노입자 산화물을 코팅하고 염료를 흡착시킨 두 개의 작업전극; 이온환원촉매가 코팅된 금속망으로 구성되며 상기 작업전극 사이에 위치하는 하나의 상대전극; 및 상기 상대전극과 작업전극 사이의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지.
  9. 제 8항에 있어서, 나노입자 산화물이 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  10. 제 8항에 있어서, 염료가 루테늄착물임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 금속망이 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 제조된 금속망임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  12. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 나노입자 산화물이 5 ~ 15 μm의 구께로 유리전극에 코팅됨을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  13. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 이온환원촉매가 백금, 카본나노튜브, 또는 활성탄임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  14. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질 용액이 요오드계 산화환원 액체 전해질 용액임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  15. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 투명판(6)이 전도성 투명 유리 혹은 전도성 고분자 필름인 방법.
  16. 제 8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 투명판(6)은 전도성 투명 유리 혹은 전도성 고분자 필름인 염료감응 태양전지.
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