KR101043582B1 - 질소 도핑된 탄소나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로써, 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 이용하여, 탄소나노튜브(CNT)를 이용함으로써 발생하는 개방전압(Open Circuit Voltage) 및 전기전도도(Conductivity)를 향상시킬 뿐 아니라 투명전극과 산화물반도체의 접착력(Connectivity)을 높이는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명의 제 1실시예에 의하면, 상부 투명기판; 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극; 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극; 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극; 및 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질;을 구비하되,상기 투명전극과 다공질 음극전극사이에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 제 2실시예에 의하면, 상부 투명기판; 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극; 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극; 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극; 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질;을 구비하되, 상기 다공질 음극전극은 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
보다 더 구체적으로 본 발명의 제 1실시예에 의하면, 상부 투명기판; 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극; 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극; 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극; 및 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질;을 구비하되,상기 투명전극과 다공질 음극전극사이에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 제 2실시예에 의하면, 상부 투명기판; 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극; 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극; 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극; 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질;을 구비하되, 상기 다공질 음극전극은 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로써, i) 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 이용하여 탄소나노튜브층을 형성하거나 ii) 다공질 음극전극이 포함하는 산화물반도체에 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 포함함으로써, 탄소나노튜브(CNT)를 이용함으로써 발생하는 개방전압(Open Circuit Voltage) 및 전기전도도(Conductivity)를 향상시킬 뿐 아니라 투명전극과 산화물반도체의 접합성을 높이는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제, 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신·재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되어 지고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응형 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다.
염료감응형 태양전지는 염료의 태양광 흡수 능력을 이용하여 화학적으로 발전을 일으키는 태양전지의 일종으로, 유리 기판 위에 음극, 염료, 전해질, 상대전극, 투명 전도성 전극 등을 구비하고 있다. 음극은 나노 다공질막의 형태로 존재하는 비교적 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되어 있고, 이 표면에 단분자층의 염료가 흡착되어 있다.
태양광이 태양전지에 입사되면, 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기 된다. 이때 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈자리는 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.
최근 이러한 염료감응형 태양전지에 탄소나노튜브를 이용하여 태양전지 셀의 효율을 높이고자 하는 연구가 시도되고 있는바, 일반적으로 탄소나노튜브는 전기저항이 10-4Ωcm로 금속에 버금가는 전기전도도를 가지고 있으며, 표면적이 벌크재료에 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.
그러나 종래의 이러한 탄소나노튜브에 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 있었다.
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 또는 표면코팅대상물 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.
따라서, 탄소나노튜브를 이용하더라도 i) 탄소나노튜브 자체의 표면 개질 뿐 아니라 구조적으로도 계면 상태의 조절을 통해 개방전압이 감소하지 않고 높은 전기전도도가 보장되며, ii) 우수한 기판과의 접착력을 보장함으로써, 효율이 높은 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 이용하여 염료감응형 태양전지를 구성함으로써, 탄소나노튜브(CNT)를 이용함으로써 발생하는 개방전압(Open circuit voltage)의 감소폭을 줄이고 우수한 전기전도도를 보장하여 태양전지 셀의 고효율을 보장하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX) 또는 탄소나노튜브(CNT)를 테트라옥틸암모늄 브로마이드(tetraoctylammonium bromide; TOAB)도핑을 통해 표면에 극성을 만들어 나노튜브 층을 만들고, 이 위에 염료감응형 태양전지를 구성함으로써, 투명전극과 산화물반도체사이의 접착력을 좋게 하여 태양전지 셀의 고효율 및 디바이스의 안정성을 보장하고자 하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 제 1실시예에 의하면, 상부 투명기판; 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극; 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극; 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극; 및 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질;을 구비하되,상기 투명전극과 다공질 음극전극사이에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 제 2실시예에 의하면, 상부 투명기판; 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극; 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극; 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극; 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질;을 구비하되, 상기 다공질 음극전극은 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
여기서, 본 발명의 제 3실시예에 의하면, 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 포함하는 다공질음극전극을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)는 상기 투명전극과 소정의 거리로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명에서 상기 염료가 흡착된 산화물 반도체는 산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 포함한다.
본 발명의 제 1실시예에 의하면, 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극과, 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, (a) 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 단계; (b) 상부 투명기판의 내측표면에 투명전극을 형성하는 단계; (c) 상기 투명전극상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층 위에 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 제 2실시예에 의하면, 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극과, 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, (e) 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 단계; (f) 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 산화물 페이스트(Paste)에 섞는 단계; (g) 상부 투명기판의 내측표면에 투명전극을 형성하는 단계; 및 (h) 상기 투명전극상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 (h) 단계는, 상기 투명전극상에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함되지 않은 산화물 페이스트를 도포하는 단계 및 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함되지 않은 산화물 페이스트 상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 포함한다.
여기서 상기 (a)단계 및 (e)단계는, CH4, H2 및 N2 가스분위기 하에서 철(Fe) 촉매로 이용한 PECVD법에 의해 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 (d)단계 및 (h)단계는, 상기 산화물 페이스트를 스핀코팅(Spin-coating)법에 의해 적층하여 상기 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산화물 반도체는 산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에 의하여, 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 이용하여 염료감응형 태양전지를 구성함으로써, 탄소나노튜브(CNT)를 이용하는 것에 비해 개방전압의 감소폭이 줄어들고 전기전도도를 향상시키므로, 태양전지 셀의 효율이 높아지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하여 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 이용하여 염료감응형 태양전지를 구성함으로써, 투명전극과 산화물반도체사이의 접착력(Connectivity)를 증가시키므로, 태양전지 셀의 효율이 좋아지고, 디바이스(device)의 안정성이 증가하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 구성도.
도 2a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도.
도 2b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도.
도 2c는 본 발명의 제 3실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도.
도 3a는 본 발명에 따른 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)와 산화티타늄(TiO2)사이에서 형성되는 Gap States를 표시한 예시도.
도 3b는 본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT)와 산화티타늄(TiO2)사이에서 형성되는 Gap States를 표시한 예시도.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 I-V 곡선을 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명의 제 2실시예 및 제 3실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 I-V 곡선을 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 투명전극상에 산화티타늄(TiO2)이 적층된 모습을 나타낸 SAM 이미지.
도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 SAM 이미지.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 SAM 이미지.
도 9는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법의 순서도.
도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법의 순서도.
도 2a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도.
도 2b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도.
도 2c는 본 발명의 제 3실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도.
도 3a는 본 발명에 따른 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)와 산화티타늄(TiO2)사이에서 형성되는 Gap States를 표시한 예시도.
도 3b는 본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT)와 산화티타늄(TiO2)사이에서 형성되는 Gap States를 표시한 예시도.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 I-V 곡선을 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명의 제 2실시예 및 제 3실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 I-V 곡선을 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 투명전극상에 산화티타늄(TiO2)이 적층된 모습을 나타낸 SAM 이미지.
도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 SAM 이미지.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 SAM 이미지.
도 9는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법의 순서도.
도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법의 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에서는 염료감응형 태양전지에 있어서, 산화티타늄(TiO2) 나노 입자 사이 또는 산화티타늄(TiO2)과 투명전극사이의 접합성을 높임으로써 확산전류(Diffusion current)를 높일 수 있는 방안에 대해 제시한다.
특히, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 표면을 질소도핑을 통한 표면 개질을 통해 탄소나노튜브와 산화물반도체사이의 계면 상태가 전체 구조에 중요하게 기여할 수 있으며, 또한 탄소나노튜브 자체의 표면개질 뿐 아니라 구조적으로 투명전극과 산화물반도체간 계면 상태의 조절을 통해 염료감응형 태양전지의 효율을 높이는 방안을 제시하고자 한다.
염료감응형 태양전지의 경우 염료에서 생성된 전자가 산화티타늄(TiO2) 등 산화물반도체 입자로 전달되고 이렇게 생성된 전자(electron)는 산화물 반도체 입자를 따라 확산 수송(diffusion transport) 메커니즘에 의해 투명 전극으로 전달된다.
이 프로세스(Process)에서 전자(electron)는 산화된 염료를 만나거나 산화물 반도체 입자를 옮겨 다니면서 전해질(electrolyte)에 의해 재결합(recombination)하게 된다. 이 전달과정을 좀 더 효율적으로 진행시키기 위해 열적, 전기적, 기계적 안정성이 우수한 탄소나노튜브(CNT)를 추가할 수 있다.
본 발명에 대한 실험예에서, 산화티타늄(TiO2)층과 투명전극 사이에 탄소나노튜브(CNT)층을 추가한 후, 태양전지 셀(cell)의 특성을 측정하여 전류가 증가하는 것을 확인하였다. 그러나, 태양전지 셀의 개방전압(Open circuit voltage)이 감소하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 탄소나노튜브(CNT)와 산화티타늄(TiO2)사이의 Fermi energy equilibrium 때문이라고 일반적으로 알려져 있다.
따라서, 본 발명에서는 탄소나노튜브에 의한 개방전압 감소를 막기 위해, 즉 페르미 에너지를 소정 eV를 높이면 개방전압의 감소폭을 줄일 수 있으므로, 이를 위해 탄소나노튜브(CNT)에 질소 도핑을 통한 페르미 에너지 튜닝(tunning)을 제안하고자 한다.
질소 소스를 더한 카본나노튜브(CNT)의 성장은 XPS를 통해 도핑사실을 확인할 수 있었고, 0.9wt% 정도의 질소 도핑을 하였을 때 대체가능한 질소 도핑이 이루어짐을 확인할 수 있었고, 확산 수송(diffusion transport) 특성이 순수한 CNT에 비해 좋은 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에서는 그 실험예를 통하여, 질소 도핑을 통한 표면 개질이 된 탄소나노튜브(CNX)를 여러 가지 구조에 적용시켜 순수한 탄소나노튜브(CNT)와 비교해 보았다.
i) 제 1실시예는 투명전극과 산화티타늄(TiO2) 층간의 확산 수송 (diffusion transport)을 증가시키기 위해, 투명전극과 산화티타늄(TiO2) 층간에 CNT층 또는CNX층을 더 구비한 셀 구조이고(Type I),
ii) 제 2실시예는 CNT 또는 CNX를 산화티타늄(TiO2) 입자 전 영역에 골고루 섞어서 셀을 형성하는 구조이며(Type II),
iii) 제 3실시예는 CNT 또는 CNX를 산화티타늄(TiO2) 입자에 섞어서 셀을 형성하지만, 투명전극 쪽에는 CNT 또는 CNX를 형성하지 않고 소정의 거리를 두고 이격시켜 형성함으로써 CNT-TiO2간 또는 CNX-TiO2간 Gap state effect를 줄이는 구조(Type III) 를 형성하여 각각의 형태의 CNT- CNX 를 비교해 보았다.
후술하겠지만, 표면 쌍극자(surface dipole)에 의한 Gap states는 CNT와 TiO2에서도 생기는데 CNT에 질소를 도핑한 경우, 즉 CNX의 경우가 순수한 CNT에 비해서 페르미 에너지가 0.5eV정도 높아져서 산화티타늄(TiO2)사이에 생기는 gap state 에너지의 위치가 높아져서 개방전압(open circuit voltage)의 감소에 기여하는 정도가 질소를 도핑하지 않은 CNT에 비해 훨씬 낮아지는 것을 보였다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 구성도이다.
본 발명의 제 1실시예에 의한 염료감응형 태양전지에 의하면, 상부 투명기판(110), 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극(120), 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료(150)가 흡착된 산화물반도체(140) 다공질 음극전극, 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극(160) 및 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질(190)을 구비하되, 상기 투명전극과 다공질 음극전극사이에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층(130)을 더 구비하는 것을 특징한다.
본 발명에서 상부 투명기판(110)은 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며 석영 및 유리와 같은 투명 무기기판 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET;polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylene naphathalate), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등의 투명 플라스틱 기판을 사용하여 형성하는 것이 가능하다.
상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극(120)은 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명에서 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료(150)가 흡착된 산화물반도체(140) 다공질 음극전극에 있어서, 상기 산화물반도체(140)는 산화티타늄(TiO2)를 이용하는 것이 바람직하나, 발명의 필요에 따라 상기 산화물 반도체는 TiO2, In2O3, SnO2, VO, VO2, V2O3, 및 V2O5로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극(160)은 백금(Pt)를 이용하여 형성할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 태양전지 셀의 효율성을 더욱 증대하기 위하여 탄소나노튜브(CNT) 또는 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 이용하여 상대전극(160)을 형성하는 것도 가능할 것이다.
상기 음극전극과 상대전극(160) 사이에 충전된 전해질(190)은 p형 반도체물질로 구성되는데, 액체전해질이나 고분자겔로 형성되는 공지의 물질을 이용할 수 있다.
본 발명의 제 1실시예의 두드러진 특징은, 상기 투명전극과 다공질 음극전극사이에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층(130)을 포함한다는 것인데, 상술한 바대로, 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)는 태양전지 셀의 개방전압의 감소폭의 기여도를 줄이므로, 우수한 개방전압 및 전기전도도가 보장되고, 또한 산화물반도체(140)와 투명전극(120)간 우수한 접착력을 보장하게 되므로, 고효율의 염료감응형 태양전지의 구성이 가능하다. 자세한, 제조방법 등은 후술하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도이다.
도 2a는 상기 제 1실시예에 따른 투명전극(210), 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층(220) 및 산화물반도체(230)로 구성된 부분의 확대도를 도시하고 있으며, 전자의 이동통로(240)도 간략히 도시하고 있다.
도 2b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도이다.
본 발명의 제 2실시예에 의하면, 상부 투명기판, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극(210), 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체(230) 다공질 음극전극, 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질,을 구비하되, 상기 다공질 음극전극은 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 제 1실시예와 비교하여 제 2실시예는, 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 별도로 형성하지 않고, 산화티타늄 등 산화물반도체 입자와 직접 결합하도록 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)(220)를 산화물반도체와 섞어서 다공질 음극전극을 형성한다고 할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 제 3실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 부분 구성도이다.
본 발명의 제 3실시예에 의하면, 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 포함하는 다공질음극전극을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)(220)는 상기 투명전극(210)과 소정의 거리로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 제 2실시예와 비교하여 제 3실시예는 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 투명전극과 직접 접촉하지 않도록 소정의 거리를 두고 형성되는데, 투명전극(210)상에 먼저 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함되지 않은 순수한 산화물 페이스트를 도포하여 산화물반도체층을 형성한 후, 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하면, 도 2c에서 예시하는 바와 같이 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)(220)는 투명전극(210)과 이격되어 형성될 것이다.
본 발명의 제 3실시예에서 상기 투명전극(210)과 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)(220)의 이격거리는 500nm 내지 1000nm로 형성함이 바람직하다.
도 3a는 본 발명에 따른 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)와 산화티타늄(TiO2)사이에서 형성되는 Gap States를 표시한 예시도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT)와 산화티타늄(TiO2)사이에서 형성되는 Gap States를 표시한 예시도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)가 질소를 도핑하지 않은 탄소나노튜브(CNT)보다 Gap states가 높게 형성되는 것을 확인할 수 있고, 따라서, 개방전압 감소폭이 덜하다는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 I-V 곡선을 나타낸 예시도이다.
본 발명의 상기 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지에 의하면, 투명전극과 산화물반도체 사이에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는데, 제 1실시예의 비교예로 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층 대신 순수한 탄소나노튜브(CNT)층을 구비하는 태양전지 셀을 비교대상으로 하였다.
상기 도 4의 I-V 곡선을 참조하면, 투명전극에 CNT층 또는 CNx 층을 적층시킨 후 TiO2 층을 올렸을 때, 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층이 더해진 경우 개방전압이 훨씬 덜 줄어드는 것을 확인하였다.
이 구조의 경우 CNT/CNx 농도가 증가함에 따라 개방전압이 줄어드는 것으로 보아 CNT/CNx-투명전극 사이의 gap state가 영향을 주고 있음을 알 수 있고, 다만 페르미 에너지가 높아서 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)의 경우 상대적으로 gap state들의 기여도가 적어서 개방전압의 감소폭이 CNT에 비해 훨씬 줄어듦을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예 및 제 3실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 I-V 곡선을 나타낸 예시도이다.
본 발명에서 제 2실시예의 경우는, 산화물반도체 사이에 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 섞어서 셀을 형성한 경우인데, 역시 이의 비교 예는 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX) 대신 순수한 탄소나노튜브(CNT)를 섞어서 셀을 형성한 경우를 그 비교대상으로 하였다.
상기 제 2실시예와 그 비교예의 경우, 많은 CNT(CNx)가 섞여 있을 때, 개방전압이 CNT/CNx 농도에 따라 변하지 않았다. 이와 같은 결과는 Fermi energy equilibrium 이 적용된다는 것을 의미하고, 이는 Gap state들의 접합성이 좋아서 페르미 에너지를 정하는데 있어서 주도적인 역할을 한다고 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제 2실시예의 경우에도 페르미 에너지가 높은 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 섞어서 셀을 형성한 경우가 순수한 탄소나노튜브(CNT)를 섞어서 셀을 형성한 경우보다 개방전압이 더 적게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 제 3실시예는 상기의 산화물반도체 사이에 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 섞어서 셀을 형성한 경우에 있어서, CNX를 투명전극과 소정의 거리로 이격시켜서 형성한 경우를 말하며, 이의 비교예는 역시 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX) 대신 순수한 탄소나노튜브(CNT)를 섞어서 셀을 형성한 경우를 대상으로 하고 있다.
이러한 제 3실시예의 경우에도 0.2wt%이상 나노튜브가 섞여 있을 경우 Fermi energy equilibrium에 의해 결정되어 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX)를 섞어서 셀을 형성한 경우가 순수한 탄소나노튜브(CNT)를 섞어서 셀을 형성한 경우보다 개방전압이 더 적게 줄었다.
상기 같은 나노튜브의 양으로 제 1실시예에 비해 제 2실시예 및 제 3실시예의 경우에 개방전압의 감소폭이 더 줄어들었는데 이는 투명전극 주위의 TiO2 층에 CNT(CNx)를 제거함으로써 투명전극과 나노튜브 사이에 생기는 Gap state의 영향을 줄일 수 있기 때문이라고 판단된다. 전류가 증가하는 것으로 보아 전기전도도를 좋게 하는 특성이 재결합장소(recombination site) 역할보다 더 우세했다는 것을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 투명전극상에 산화티타늄(TiO2)이 적층된 모습을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 SEM 이미지이다.
도 9는 본 발명의 제 1실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법의 순서도이다.
본 발명의 제 1실시예에 의하면, 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극과, 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, (a) 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 단계; (b) 상부 투명기판의 내측표면에 투명전극을 형성하는 단계; (c) 상기 투명전극상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층 위에 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
먼저 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 단계를 거치게 되는데,(s11) 본 발명에서 적용된 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성방법은 간략하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 있어서, 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)는 CH4가스, H2 및 /또는 N2가스분위기 하에서 얇은 철 필름을 촉매로 사용하고, 실리콘 서브스트레이트상에서 PECVD 법에 의해 합성할 수 있었다.
먼저 촉매를 함유하는 서브스트레이트는 PECVD 챔버로 이동되고, 상기 챔버는 1-10 Torr의 압력하에서 710 °C로 가열되며, 질소/수소 가스가 대량주입 컨트롤러에 의해 챔버로 유도된다.
챔버의 압력이 12 Torr에 이르면, 플라즈마는 마이크로 웨이브에 의해 가열되며, 질소/수소 플라즈마는 1분동안 지속되었다. 이러한 플라즈마의 예열과정동안 온도가 계속적으로 850 °C 까지 증가되도록 하고, 압력은 22 Torr 까지 증가되도록 한다. 온도와 압력은 전과정의 끝까지 이러한 값들로 유지됨이 바람직하다.
그 다음으로 약 1분후에 메탄이 첨가되며, 탄소나노튜브는 패턴화된 촉매 영역상에서 성장하게 된다. 질소 도핑 레벨을 제어하기 위하여, CH4 소스에 견주어 분출하는 가스들의 N2 농도를 변화시켰다. 이에, 질소 도핑된 탄소나노튜브(CNX)는 N2, CH4와 똑같은 양으로 성장되었고, 그 성장시간은 30초이었다.
다만, 본 발명에서는 상기의 방법에 한정되는 것이 아니고, 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)의 페이스트를 생성할 수 있는 방법이라면 어떠한 것이라도 제한되지 않을 것이다.
또한, 본 발명에서는 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX) 또는 탄소나노튜브(CNT)를 테트라옥틸암모늄 브로마이드(tetraoctylammonium bromide; TOAB)도핑을 통해 표면에 극성을 만들어 나노튜브층을 형성할 수 있다.
상기의 TOAB 도핑을 거친 질소를 도핑한 탄소나노튜브(CNX) 또는 탄소나노튜브(CNT)로 인하여 투명전극과 산화물반도체사이의 접착력을 더욱 좋게할 수 있다.
이후, 상부 투명기판의 내측표면에 투명전극을 형성하는 단계를 거치게 된다.(s12)
투명전극은 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등 태양광의 투광성이 보장되고, 도전성이 있는 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
이후, 상기 투명전극상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 형성하는 단계를 거치게 된다.(s13)
또한, 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX) 페이스트를 이용하여 만든 탄소나노튜브(CNX)층은 닥터블레이드법, 스크린프린팅법, 스프레이법, 스핀코팅법, 페인팅법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법에 의하여 점상, 선상, 면상의 패턴으로 제조되고, 그 두께는 10nm∼1mm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 특히, 면상으로 제조할 시 스프레이법에 의해 1㎡ 이하의 넓은 면에도 코팅하는 것이 가능하다고 할 수 있다.
이후 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층 위에 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계를 거치게 되는데, (s14) 여기서 상기 산화물 페이스트는 스핀코팅(Spin-coating)법에 의해 적층하여 상기 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 것이 바람직하다. 다만 스핀코팅(Spin-coating)법에 제한되는 것은 아니고, 다공질 산화물 반도체층을 형성할 수 있는 방법이라면 어떠한 방법이라도 적용될 수 있을 것이다.
본 발명의 실험예에서 적용된 산화물반도체 페이스트의 제조법을 간략히 설명하면 다음과 같다.
TiO2 powder : Hydroxy propyl cellulose : water을 각각 2.4g : 1.35g : 5.4g의 비율로 섞어서 0.2mL 아세틸아세톤(Acetylacetone)과 함께 혼합하고, 90℃에서 마른 파우더 0.6g, 2ml의 물 및 0.02ml의 아세틸아세톤을 섞어서 분산제인 Triton X 0.01ml 와 홉합하여 산화물반도체 페이스트를 제조하였다.
다만, 본 발명에서는 상기의 방법에 한정되는 것이 아니고, 산화물반도체 페이스트를 생성할 수 있는 방법이라면 어떠한 것이라도 제한되지 않을 것이다.
도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법의 순서도이다.
또한, 본 발명의 제 2실시예에 의하면, 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극과, 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, (e) 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 단계; (f) 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 산화물 페이스트(Paste)에 섞는 단계; (g) 상부 투명기판의 내측표면에 투명전극을 형성하는 단계; 및 (h) 상기 투명전극상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 3실시예에 의하면, 제 2실시예의 상기 (h) 단계는, 상기 투명전극상에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함되지 않은 산화물 페이스트를 도포하는 단계 및 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함되지 않은 산화물 페이스트 상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 제 2실시예는 먼저 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 단계를 거치게 된다.(s21) 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성방법은 전술하였으므로 생략하기로 한다.
이후 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 산화물 페이스트(Paste)에 섞는 단계를 거치게 된다.(s22)
전술한 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성방법으로 생성된 탄소나노튜브(CNX) 페이스트와 전술한 산화물 페이스트 제조방법에 의해 생성된 산화물 페이스를 혼합하는 단계라고 할 수 있다.
이후 상부 투명기판의 내측표면에 투명전극을 형성하는 단계를 거치고,(s23) 상기 투명전극상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계를 거치게 된다.(s24)
다만, 본 발명의 제 3실시예에 의하면, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계(s24)에 있어서, 먼저 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함되지 않은 산화물 페이스트를 도포하고, 그 후 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하여, 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 투명전극과 소정의 거리를 두고 이격되어 형성되도록 제조하면 된다.
즉 상기의 과정을 종합해 보면, 본 발명의 제 1실시예 내지 제 3실시예에 있어서, 태양전지의 제조방법은, CNT와 CNx를 전기화학적 적층을 통해 투명 전극에 위치시키고 TiO2 페이스트를 스핀 코팅하거나(제 1실시예) 또는 CNT/CNx를 페이스트에 골고루 섞은 후 스핀 코팅을 통해 적층시킨다.(제 2실시예 내지 제 3실시예) 그 후 500℃ 어닐링을 통해 페이스트에 섞여 있던 물질들을 증발시키고, 상대 전극을 pt 용액을 통해 제조하여 전해물과 함께 결합한다. 이렇게 형성된 태양전지 셀을 Solar simulator를 통하여 I-V curve를 측정하고 임피던스를 측정하여 cell의 property를 관찰하여 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 이용하여 형성된 태양전지의 효율이 우수함을 확인할 수 있었다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
110: 상부 투명기판
120, 210, 310, 610: 투명전극
130, 220, 320: 질소로 도핑된 탄소나노튜브층
140, 230: 산화물 반도체
150: 염료
160: 상대전극
170: 하부 투명기판
180: 실링 및 패키징
240: 전자의 이동통로
321: 탄소나노튜브층
330, 620: 산화물반도체층
340: Gap states
630: 전해질
120, 210, 310, 610: 투명전극
130, 220, 320: 질소로 도핑된 탄소나노튜브층
140, 230: 산화물 반도체
150: 염료
160: 상대전극
170: 하부 투명기판
180: 실링 및 패키징
240: 전자의 이동통로
321: 탄소나노튜브층
330, 620: 산화물반도체층
340: Gap states
630: 전해질
Claims (10)
- 상부 투명기판;
상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극;
상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극;
하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극; 및
상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질;을 구비하되,
상기 투명전극과 다공질 음극전극사이에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. - 상부 투명기판;
상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극;
상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극;
하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극; 및
상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질;을 구비하되,
상기 다공질 음극전극은 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. - 제 2항에 있어서,
상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)는 상기 투명전극과 소정의 거리로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 염료가 흡착된 산화물 반도체는 산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. - 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극과, 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서,
(a) 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 단계;
(b) 상부 투명기판의 내측표면에 투명전극을 형성하는 단계;
(c) 상기 투명전극상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)층 위에 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법. - 상부 투명기판과, 상기 상부 투명기판의 내측 표면에 형성되는 투명전극과, 상기 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부기판 위에 형성되는 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서,
(e) 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 단계;
(f) 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 산화물 페이스트(Paste)에 섞는 단계;
(g) 상부 투명기판의 내측표면에 투명전극을 형성하는 단계; 및
(h) 상기 투명전극상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법. - 제 6항에 있어서, 상기 (h) 단계는,
상기 투명전극상에 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함되지 않은 산화물 페이스트를 도포하는 단계; 및
상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함되지 않은 산화물 페이스트 상에 상기 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)가 포함된 산화물 페이스트를 도포하여, 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법. - 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 (a)단계 및 (e)단계는,
CH4, H2 및 N2 가스분위기 하에서 철(Fe) 촉매로 이용한 PECVD법에 의해 질소로 도핑된 탄소나노튜브(CNX)를 생성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법. - 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 (d)단계 및 (h)단계는,
상기 산화물 페이스트를 스핀코팅(Spin-coating)법에 의해 적층하여 상기 산화물반도체 다공질 음극전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법. - 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
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| KR101480978B1 (ko) | 2013-01-25 | 2015-01-15 | 고려대학교 산학협력단 | 염료감응 태양전지용 그래핀 상대전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
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