KR100964182B1 - 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 상호 대향하는 반도체 전극 및 대향 전극과, 이들 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하고, 상기 반도체 전극은 전도성 기판; 상기 전도성 기판 위에 형성된 산화물 반도체-전도체 구조물; 및 상기 산화물 반도체의 표면에 흡착되어 있는 염료 분자층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다. 본 발명의 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법을 이용하면 전도체로 전달된 전자가 다시 전해질과 재결합하는 것을 효과적으로 막을 수 있어 효율이 극대화된 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다.
태양전지, 염료감응, 전도체, 산화물 반도체
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전달된 전자가 다시 전해질과 재결합하는 것을 효과적으로 막을 수 있어 효율이 극대화된 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 연구는 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행하였음. [2006-S-006-02, 유비쿼터스 단말용 부품/모듈]
염료감응 태양전지는 p-n 접합을 이용하는 웨이퍼 형태의 실리콘이나 화합물 태양전지와는 달리, 가시광선의 파장을 갖는 빛이 입사하면 이를 받아 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자와 여기된 전자를 받아들일 수 있는 반도체 산화물, 그리고 외부 회로에서 일을 하고 돌아오는 전자와 반응하는 전해질을 주된 구성재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예는 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것으로서(미합중국 특허공보 제4,927,721호 및 제5,350,644호 참조) 염료 분자가 흡착되어 있는 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 산화물 반도체 전극, 백금 또는 탄소가 코팅된 상대 전극, 그리고 그 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 이러한 광화학적 전지는 p-n 접합을 이용하는 웨이퍼 형태의 태양전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하여 주목받아 왔다.
염료감응 태양전지의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 태양빛에 의해 들뜬 염료들이 전자를 나노입자 이산화티탄의 전도대에 주입된다. 그 주입된 전자들은 나노입자 이산화티탄을 통과하여 전도성 기판에 도달하고 외부회로로 전달된다. 외부 회로에서 전기적 일을 하고 돌아온 전자는 대향 전극을 통하여 산화/환원 전해질의 전자 전달 역할에 의하여 전자를 이산화티탄에 주입하여 전자가 부족한 염료를 환원시켜 염료감응 태양전지의 작동은 완성되게 된다.
여기서, 염료로부터 주입된 전자가 외부 회로에 전달되기 전에, 나노입자 이산화티탄층과 전도성 기판을 통과하는 과정에서, 주입된 전자는 나노입자 이산화티탄의 표면에 비어있는 표면 에너지 준위에 머물게 될 수 있다. 이 경우, 전자는 산화/환원 전해질과 반응하여 회로를 따라 돌지 않고 비효율적으로 사라지게 된다. 또한, 전도성 기판의 표면에서도 빛에 의하여 발생한 전자가 산화/환원 전해질과의 반응에 의해 소비되어 에너지 변환 효율이 떨어진다. 특히, 도 6에 나타낸 바와 같이 염료에서 이산화티탄으로 주입된 전자들이 전도체에 이르기 전에 전해질과 재결합하여 소실되는 경우가 있다.
광전 에너지 변환 효율은 태양전지의 전류, 전압 및 충진계수(fill factor) 의 곱에 의하여 결정되므로 광전 에너지 변환 효율을 개선하기 위해서는 전류, 전압 및 충진계수의 값을 향상시켜야 한다. 이들 중 전압을 가장 크게 상승시킬 수 있는 방법이 전자와 전해질의 재결합을 극소화시켜 산화물 반도체에서의 전자밀도를 극대화하는 방법이고, 여기에 관하여 다양한 연구가 진행되었지만 아직 개선의 여지가 많이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 전자의 이동경로를 최소화함으로써, 전도체로 전달된 전자가 다시 전해질과 재결합하는 것을 효과적으로 막을 수 있어 효율이 극대화된 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 전자의 이동경로를 최소화함으로써, 전도체로 전달된 전자가 다시 전해질과 재결합하는 것을 효과적으로 막을 수 있어 효율이 극대화된 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 염료감응 태양전지를 포함하는 전기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 상호 대향하는 반도체 전극 및 대향 전극과, 이들 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하고, 상기 반도체 전극은 전도성 기판; 상기 전도성 기판 위에 형성된 산화물 반도체-전도체 구조물; 및 상기 산화물 반도체의 표면에 흡착되어 있는 염료 분자층을 포함하는 염료 감응 태양전지를 제공한다.
특히, 상기 산화물 반도체-전도체 구조물은 상기 전도성 기판 위에 나노 구조물 형태의 전도체가 상기 전도성 기판과 전기적으로 연결되어 있고, 상기 산화물 반도체가 상기 전도체의 표면에 코팅되어 있는 구조물일 수 있고, 상기 나노 구조물은 나노 입자, 나노튜브(nanotube), 나노막대(nano rod), 나노혼(nanohorn), 나노스피어(nanosphere), 나노파이버(nanofiber), 나노링(nanoring), 또는 나노벨트(nanobelt) 등일 수 있다.
상기 전도체의 표면에 코팅된 상기 산화물 반도체의 두께는 약 0.1 nm 내지 약 50 nm일 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 반도체 전극을 형성하는 단계; 대향 전극을 형성하는 단계; 상기 반도체 전극과 상기 대향 전극을 상호 대향하도록 정렬하는 단계; 및 상기 반도체 전극과 상기 대향 전극의 사이에 전해질 용액을 주입하는 단계를 포함하고, 상기 반도체 전극을 형성하는 단계가 전도성 기판을 제공하는 단계; 상기 전도성 기판 위에 산화물 반도체-전도체 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 산화물 반도체-전도체 구조물 표면에 염료 분자층을 흡착시키는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
특히, 상기 전도성 기판 위에 산화물 반도체-전도체 구조물을 형성하는 단계는 상기 전도성 기판 위에 전도체를 형성하는 단계; 및 상기 전도체의 표면에 산화물 반도체의 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 이들 두 단계의 순서는 어느 단계가 선행되어도 무방하다.
특히, 상기 전도체의 표면에 산화물 반도체의 층을 형성하는 단계는 금속, 유기 금속 화합물, 또는 무기 금속 화합물을 용매에 용해시켜 금속, 유기금속 화합물, 또는 무기 금속 화합물의 슬러리를 제조하는 단계; 상기 전도체의 표면에 상기 슬러리의 층을 형성하는 단계; 및 상기 슬러리의 층이 표면에 형성된 상기 전도체를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 염료감응 태양전지를 포함하는 전기 장치를 제공한다.
본 발명의 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법을 이용하면 전도체로 전달된 전자가 다시 전해질과 재결합하는 것을 효과적으로 막을 수 있어 효율이 극대화된 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 아니된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 본 명세서에서 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위에 있다"라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막 또는 기판의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다. 첨부 도면에서, 막들 및 영역들의 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 도면에 도시된 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 첨부 도면에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)의 요부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는 상호 대향하고 있는 반도체 전극(110)과 상대 전극(120)을 포함하고, 상기 반도체 전극(110)과 상기 상대 전극(120) 사이에는 전해질층(130)이 개재된다.
도 2는 반도체 전극(110) 부분이 확대되도록 과장하여 그린 상기 염료감응 태양전지(100)의 부분 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 반도체 전극(110)은 전도성 기판(112)과 상기 전도성 기판(112) 위에 형성된 산화물 반도체-전도체 구조물(115) 및 상기 산화물 반도체(114)의 표면에 흡착되어 있는 염료 분자층(117)을 포함한다.
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상기 전도성 기판(112)은, 예를 들면 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), FTO(fluorine-doped tin oxide), 표면에 SnO2가 코팅되어 있는 유리 기판, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등이 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 전도성 기판(112)은, 상기 산화물 반도체-전도체 구조물(115)과 전기적으로 연결되어 있는데, 특히 상기 산화물 반도체-전도체 구조물(115)의 일부를 이루는 전도체(113)가 상기 전도성 기판(112)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 전도체(113)는 전기를 잘 통하는 물질로 이루어지면 되고 특별히 재료적으로 제한되지 않는다. 구체적으로, 상기 전도체(113)는 탄소계 물질, 금속, 전도성 폴리머, 또는 전도체가 도핑된 산화물일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄소계 물질은 예를 들면, 탄소 분말, 흑연, 플러렌(C60), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 나노튜브(nanotube), 카본 나노파이버(nanofiber), 카본 나노와이어(nanowire), 카본 나노스피어(nanosphere), 카본 나노혼(nanohorn), 카본 나노링(nanoring), 카본 나노막대(nanorod), 카본 나노벨트(nanobelt) 등일 수 있다.
상기 금속은 상온에서 고체인 어떤 금속이든 가능하고 특별히 한정되지 않는다.
상기 전도성 폴리머는 폴리아닐린계, 폴리아세틸렌계, 폴리피롤계, 또는 폴리티오펜계의 폴리머 물질일 수 있다.
상기 전도체가 도핑된 산화물은 실리콘 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물 등과 같은 산화물에 n-형 도펀트를 도핑한 산화물일 수 있다. 각 산화물에 대하여 n-형 도펀트의 역할을 할 수 있는 원소의 종류는 당 기술 분야에 잘 알려져 있기 때문에 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 전도성 기판(112)과 상기 전도체(113)은 서로 동일한 물질로 이루어질 수도 있고 서로 상이한 물질로 이루어질 수도 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이 나노 구조물인 복수의 전도체(113)가 서로 전기적으로 연결되고 상기 전도체(113)의 표면에 산화물 반도체(114)가 코팅됨으로써 산화물 반도체-전도체 구조물(115)이 이루어질 수 있다. 상기 산화물 반도체(114)의 표면에 흡착되어 있는 염료 분자(117)에서 빛에 의해 여기된(excited) 전자가 상기 전도체(113)까지 전달되기 위해서는 얇은 산화물 반도체(114)의 두께에 해당하는 길이만큼만 전자가 이동하면 되기 때문에 염료로부터 전달된 전자가 전해질(130)과 재결합될 확률이 현저히 낮아지게 된다. 따라서, 산화물 반도체(114)에서의 전자밀도를 극대화할 수 있고, 이를 통해 전압을 상승시키며, 궁극적으로는 광전 에너지 변환 효율을 개선할 수 있다.
상기 산화물 반도체-전도체 구조물(115)의 형태는 특별히 한정되지 않고, 도 2에 나타낸 바와 같이 불규칙한 형태일 수 있지만, 나노 입자, 나노튜브(nanotube), 나노막대(nano rod), 나노혼(nanohorn), 나노스피어(nanosphere), 나노파이버(nanofiber), 나노링(nanoring), 또는 나노벨트(nanobelt)의 나노 구조물의 형태를 이룰 수도 있다.
특히, 상기 나노 구조물의 크기는, 예를 들면 1 nm 내지 1000 nm일 수 있다. 이 때, 나노 구조물의 크기는 나노 구조물을 이루는 입자에서 가장 거리가 먼 두 점 사이의 거리로 정의된다.
상기 전도체(113)의 나노 구조물 위에 산화물 반도체(114)가 얇게 코팅되어 있는데, 코팅된 두께는 0.1 nm 내지 50 nm일 수 있다. 즉, 전달된 전자가 전도체(113)까지 전달되기 위하여 이동하여야 하는 거리가 종래에 비하여 10분의 1 내지 수십만 분의 1까지 감소하였기 때문에 전자가 전해질과 재결합될 확률도 이러한 거리의 감소에 비례하여 감소하게 된다.
상기 산화물 반도체(114)는 예를 들면 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화니오븀(Nb2O5), 산화 티탄 스트론튬(TiSrO3) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 특히, 아나타제(anatase) 형의 이산화티탄이 바람직하다.
상기 산화물 반도체(114) 위에 코팅된 염료(117)로서는 태양전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용될 수 있으며, 전하 분리기능을 갖고 광감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 염료(117)는 루테늄 착물, 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 염료, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 염료, 페노사프라닌, 카르비블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 염료, 프탈로시아닌 화합물, 루테늄 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 염료, 다환퀴논계 염료 등일 수 있으며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 특히, 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등일 수 있다(여기서, L은 2,2'-비피리딜- 4,4'-디카르복실레이트 등일 수 있음).
상기 전해질층(130)은 이미다졸계 화합물 및 요오드를 포함할 수 있고, 예를 들면, 요오드계 산화-환원 전해질(I-/I3 -)가 용해되어 있는 층이다. 상기 전해질층(130)은, 예를 들면, 0.70 M의 1-비닐-3-메틸-이미다졸륨 아이오다이드(1-vinyl-3-methyl-imidazolium iodide)와, 0.10 M의 LiI와, 40 mM의 I2와, 0.125 M의 4-터셔리-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile)에 용해시킨 용액일 수 있다.
상기 상대 전극(120)은 전기전도성을 띠는 기판(122)과 상기 기판(122) 위에 코팅되어 있는 금속층(124)을 포함할 수 있으며, 특히 상기 금속층(124)은 예를 들면 백금층으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 기판(122)은 예를 들면 ITO, FTO 또는 표면에 산화주석이 코팅되어 있는 유리 기판으로 구성될 수 있다.
상기 상대 전극(120)의 금속층(124)은 상기 반도체 전극(110)과 대향하도록 배치될 수 있다.
도 1 및 도 2에 예시된 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)의 작동은 다음과 같다.
상기 반도체 전극(10)의 전도성 기판(112)을 투과한 광선이 반도체 산화물(114)에 흡착된 염료(117)에 도달하면, 상기 염료(117)를 이루는 분자가 여기되어 전자가 반도체 산화물(114)의 전도대(conduction band)로 주입된다. 상기 반도체 산화물(114)로 주입된 전자는 상기 반도체 산화물(114)이 코팅되어 있는 전도 체(113)로 용이하게 전달되고, 전도성 기판(112)을 통해 외부 회로(미도시)로 전달된다. 외부 회로(미도시)에서 일을 한 전자는 상대 전극(120)으로 이동된다.
전자 전이의 결과로서 산화된 염료(117)는 전해질층(130) 내의 요오드 이온의 산화 환원 작용(3I- → I3 - + 2e-)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원되고, 이 때 산화된 요오드 이온(I3 -)은 상대 전극(120)에 도달한 전자에 의해 다시 환원됨으로써 염료감응 태양전지(100)의 작동 과정이 완성된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지(200)의 부분 단면도이다. 도 3에 나타낸 염료감응 태양전지(100)는 도 2에 나타낸 염료감응 태양전지(100)와 달리 산화물 반도체-전도체 구조물(215)을 형성함에 있어서, 전도체(213)들이 상호간에 직접 접촉하지는 않지만 산화물 반도체(214)에 의하여 연결되어 있다.
도 3의 구성은 도 2의 구성에 비하여 전지 효율은 다소 감소하지만, 후술하는 바와 같이 제조 방법에 있어서 각 전도체 입자를 산화물 반도체로 먼저 코팅한 후 이를 전도성 기판에 형성하는 구성을 취하기 때문에 제조가 간편하고 대량 생산에 적합한 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지(300)의 부분 단 면도이다. 도 4를 참조하면, 전도체(313)를 나노막대, 나노와이어 또는 나노튜브 형태로 형성하였기 때문에 표면적을 크게 할 수 있고 그에 따른 높은 전지 효율을 가져올 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(100, 200, 300)의 작동 과정에 있어서, 상기 반도체 전극(110, 210, 310)을 구성함에 있어서, 산화물 반도체(114, 214, 314)를 도전체(113, 213, 313) 위에 코팅하는 구성을 취함으로써, 염료(117, 217, 317)에서 전달된 전자가 산화물 반도체(114, 214, 314)를 통하여 도전체(113, 213, 313)까지 전달되는 경로가 극도로 짧아지기 때문에 여기되어 염료(117, 217, 317)에서 전달된 전자가 전해질(130, 230, 330)과 재결합하는 것을 극소화할 수 있어 광전 변환 효율을 극대화할 수 있다.
이상에서 설명한 염료감응 태양전지는 여러 가지 전기 장치에 응용될 수 있다. 예를 들면, 가정용 전원 장치, 자동차, 선박, 항공기, 신호등, 옥외 광고물, 휴대전화 또는 MP3 플레이어와 같은 휴대용 전자 장치, 산업 설비 등에 응용될 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
단계 410에서 반도체 전극(110, 210, 310)을 형성하고, 단계 420에서 상대 전극(120, 220, 320)을 형성하며, 단계 430에서 상기 반도체 전극(110, 210, 310)과 상기 상대 전극(120, 220, 320)이 상호 대향하도록 정렬한다. 그런 후, 단계 440에서 상기 반도체 전극(110, 210, 310)과 상기 상대 전극(120, 220, 320) 사이 에 전해질 용액을 주입하여 전해질층(130, 230, 330)을 형성한다. 도 5에서는 단계 410 이후에 단계 420이 수행되는 것으로 기술되었지만 단계 410과 단계 420은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 수행하는 것도 가능하다.
각 단계들을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단계 410은 전도성 기판을 제공하는 단계(411), 상기 전도성 기판 위에 산화물 반도체-전도체 구조물을 형성하는 단계(413) 및 상기 산화물 반도체-전도체 구조물 표면에 염료 분자층을 흡착시키는 단계(415)를 포함할 수 있다.
상기 전도성 기판은 앞서 설명한 바와 같은 구성을 가진 기판을 제공하는 것으로 충분하므로 여기서는 중복되는 상세한 설명을 생략한다.
상기 전도성 기판 위에 산화물 반도체-전도체 구조물을 형성하기 위해서는 먼저 상기 전도성 기판 위에 전도체를 형성하는 단계(413a)와 상기 전도체의 표면에 산화물 반도체의 층을 형성하는 단계(413b)를 포함하는 방법을 이용할 수 있다.
상기 전도성 기판 위에 전도체를 형성하는 방법은, 예를 들면 화학기상증착, 스퍼터링, 소결, 전기도금, 스프레이, 또는 코팅에 의하여 상기 전도성 기판 위에 전도체를 분포시킬 수 있다. 다만, 이들 방법은 사용되는 전도체의 종류에 따라 선택적으로 이용되어야 하는데, 전도성 폴리머의 경우 코팅에 의해 형성할 수 있고, 탄소계 물질인 경우는 화학기상증착, 스프레이, 또는 코팅에 의해 형성할 수 있다. 또, 금속의 경우에는 스퍼터링, 전기도금, 또는 소결에 의하여 형성할 수 있다. 전도체가 도핑된 산화물인 경우에는 화학기상증착, 또는 스퍼터링에 의하여 산화물층을 형성한 후 도펀트를 이온주입함으로써 형성할 수 있다.
상기 전도체의 표면에 산화물 반도체의 층을 형성하는 방법은 직접 산화물 반도체를 상기 전도체의 표면에 코팅함으로써 이루어질 수 있다. 이 때, 산화물 반도체로서는 TiO2, SnO2, ZnO 또는 MgO와 같은 물질을 이용할 수 있다.
선택적으로, 상기 전도체의 표면에 산화물 반도체의 층을 형성하는 방법은, 금속 또는 금속 전구체의 슬러리를 제조하고 상기 전도체의 표면에 상기 슬러리의 층을 형성한 후, 열처리를 통해 상기 금속 또는 금속 전구체를 산화시킴으로써 형성할 수 있다.
즉, Ti, Sn, Zn, Mg 등과 같은 금속, 이들 금속의 유기 금속 화합물 또는 무기 금속 화합물을 용매에 용해시켜 이들의 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 용매는 특별히 한정되지 않지만, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 또는 부틸알코올과 같은 알코올계 용매, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등을 이용할 수 있다.
상기 전도체의 표면에 상기 슬러리의 층을 형성하는 방법은 슬러리의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법 등이 사용될 수 있으며, 여기에 한정되는 것은 아니다. 이 외에도 상기 전도체의 표면에 상기 슬러리 층에 잠기도록 12시간 이상 동안 침지시키는 방법도 가능하다.
그런 후, 상기 결과물을 열처리할 수 있는데, 상기 열처리는 공기 또는 산화 성 분위기로 100 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 수 분 내지 수 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 열처리 온도가 100 ℃에 미달하거나 열처리 시간이 수 분에 미치지 못하면 용매의 제거가 불충분할 뿐만 아니라 산화물로 충분히 형성되지 않기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 상기 열처리 온도가 800 ℃를 초과하거나 열처리 시간이 지나치게 길면 입자들이 지나치게 소결되어 표면적이 과도하게 감소할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
이상에서는 전도성 기판 위에 전도체를 형성한 후 상기 전도체 위에 산화물 반도체의 층을 형성하는 방법을 설명하였지만, 산화물 반도체로 코팅된 전도체를 먼저 준비한 후, 이를 이용하여 상기 전도성 기판 위에 산화물 반도체-전도체 구조물을 형성할 수 있다.
산화물 반도체로 코팅된 전도체를 준비하기 위하여, 앞서 설명한 바와 같이 직접 산화물 반도체를 상기 전도체의 표면에 코팅하거나, 금속 또는 금속 전구체의 슬러리를 제조하고 상기 전도체의 표면에 상기 슬러리의 층을 형성한 후, 열처리를 통해 상기 금속 또는 금속 전구체를 산화시키는 방법을 이용할 수 있다.
다만, 이와 같이 산화물 반도체로 코팅된 전도체를 제조한 후에는 이를 다시 분산매에 분산시켜 슬러리 또는 페이스트로 만들고, 이를 전도성 기판 위에 코팅하고 분산매를 제거함으로써 수행될 수 있다. 상기 분산매는 앞서 예로 든 용매를 이용할 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
단계 420에서 상대 전극(120, 220, 320)을 형성하기 위하여 전기전도성을 띠는 기판(122, 222, 322) 위에 금속층(124, 224, 324)을 형성할 수 있다. 상기 금속 층(124, 224, 324)은, 예를 들면, 백금층일 수 있다.
단계 430에서 상기 반도체 전극(110, 210, 310)이 상기 상대 전극(120, 220, 320)과 대향하도록 정렬한다. 이를 위하여, 상기 전도성 기판(112, 212, 312)과 전기전도성을 띠는 기판(122, 222, 322) 사이에 예를 들면 SURLYN™(Du Pont사 제조의 상품명)으로 이루어지는 약 30 ㎛ 내지 50 ㎛ 두께의 폴리머층을 놓고 약 100 ℃ 내지 140 ℃의 가열판 상에서 약 1 기압 내지 약 3 기압으로 상기 두 기판을 밀착시킨다. 이와 같이 가해준 열 및 압력에 의하여 상기 폴리머층이 상기 두 전극의 표면에 강하게 부착된다.
단계 440에서 상기 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 주입한다. 상기 전해질 용액이 다 채워진 후, 폴리머층과 기판층을 순간적으로 가열함으로써 주입구를 밀봉한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 각종 전기 장치에 응용될 수 있는 태양전지 및 그의 제조 방법에 유용하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 요부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 상기 도 1의 염료감응 태양전지의 반도체 전극(110) 부분이 확대되도록 과장하여 그린 상기 염료감응 태양전지(100)의 부분 단면도이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 반도체 전극 부분이 확대되도록 과장하여 그린 염료감응 태양전지의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 반도체 전극 부분이 확대되도록 그린 염료감응 태양전지의 부분 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300: 염료감응 태양전지 110, 210, 310: 반도체 전극
112, 212, 312: 전도성 기판 113, 213, 313: 전도체
114, 214, 314: 산화물 반도체 115, 215, 315: 산화물 반도체-전도체 구조물
117, 217, 317: 염료 120, 220, 320: 상대 전극
122, 222, 322: 전기전도성을 띠는 기판
124, 224, 324: 금속층 130, 230, 330: 전해질층
Claims (15)
- 상호 대향하는 반도체 전극 및 대향 전극과, 이들 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하고,상기 반도체 전극은전도성 기판;상기 전도성 기판 위에 형성된 산화물 반도체-전도체 구조물; 및상기 산화물 반도체의 표면에 흡착되어 있는 염료 분자층;을 포함하고,상기 전도체는 금속 소결체로서 불규칙한 클러스터 형태를 갖는 염료감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산화물 반도체-전도체 구조물은 상기 전도성 기판 위에 나노 구조물 형태의 전도체가 상기 전도성 기판과 전기적으로 연결되어 있고, 상기 산화물 반도체가 상기 전도체의 표면에 코팅되어 있는 구조물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 삭제
- 제 2 항에 있어서, 상기 나노 구조물의 크기가 1 nm 내지 1000 nm인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 전도체의 표면에 코팅되어 있는 산화물 반도체의 두께가 0.1 nm 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 반도체 전극을 형성하는 단계;대향 전극을 형성하는 단계;상기 반도체 전극과 상기 대향 전극을 상호 대향하도록 정렬하는 단계; 및상기 반도체 전극과 상기 대향 전극의 사이에 전해질 용액을 주입하는 단계를 포함하고,상기 반도체 전극을 형성하는 단계가전도성 기판을 제공하는 단계;상기 전도성 기판 위에 산화물 반도체-전도체 구조물을 형성하는 단계; 및상기 산화물 반도체-전도체 구조물 표면에 염료 분자층을 흡착시키는 단계;를 포함하고, 상기 전도성 기판 위에 산화물 반도체-전도체 구조물을 형성하는 단계가상기 전도성 기판 위에 전도체를 형성하는 단계; 및상기 전도체의 표면에 산화물 반도체의 층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전도체의 표면에 산화물 반도체의 층을 형성하는 단계가금속, 유기 금속 화합물, 또는 무기 금속 화합물을 용매에 용해시켜 금속, 유기금속 화합물, 또는 무기 금속 화합물의 슬러리를 제조하는 단계;상기 전도체의 표면에 상기 슬러리의 층을 형성하는 단계; 및상기 슬러리의 층이 표면에 형성된 상기 전도체를 열처리하는 단계;를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서, 상기 전도체가 탄소계 물질, 도핑된 산화물, 금속, 또는 전도성 폴리머인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 전도성 기판 위에 전도체를 형성하는 단계가 상기 전도체를 화학기상증착, 스퍼터링, 소결, 전기도금, 스프레이, 또는 코팅에 의하여 상기 전도성 기판 위에 분포시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 전도체의 표면에 산화물 반도체의 층을 형성하는 단계가 산화물 반도체를 상기 전도체의 표면에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서, 상기 열처리가 공기 또는 산화성 분위기에서 100 ℃ 내지 350 ℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 따른 염료감응 태양전지를 포함하는 전기 장치.
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