KR101078369B1 - 염료감응 태양전지용 천연염료, 이를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조방법 - Google Patents
염료감응 태양전지용 천연염료, 이를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 식물로부터 추출된 염료를 염료감응 태양전지용 천연염료로 활용하여 투명 전도성 산화물층이 각각 형성된 제1 기판과 제2 기판 사이에 나노산화물층과 상대전극층 및 전해질층을 형성하되, 전술한 염료를 나노산화물층에 흡착시킨 구조의 염료감응 태양전지를 제조함으로써 기존의 무기 염료를 대체할 수 있는 저렴하고 친환경적이며 다양한 색상의 구현이 가능한 천연염료를 이용한 염료감응 태양전지용 천연염료, 이를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지용 천연염료, 이를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 무기 염료를 대체할 수 있는 저렴하고 친환경적이며 다양한 패턴의 구현이 가능한 천연염료를 이용한 염료감응 태양전지용 천연염료, 이를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
과학 기술의 발달에 따른 급속한 산업화는 기존의 화석연료를 고갈 상태로 몰고 갔으며, 화석연료의 사용으로 발생되는 이산화탄소를 포함한 각종 유해물질이 지구 환경을 위협하게 되었고, 이러한 화석연료의 대체 자원으로 최근 각광받고 있는 것이 무한정으로 사용할 수 있으며, 환경친화적인 태양 에너지이다.
태양전지는 이러한 무한정의 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 핵심 부품이며, 크게 실리콘, 카드뮴 등을 이용한 무기 태양전지와, 유기접합 또는 염료감응 태양전지 등의 유기 태양전지로 나눌 수 있다.
무기 태양전지 중 실리콘 태양전지는 최고 30%에 가까운 효율을 보이고 있으나 제조 단가가 높고, 색상 또한 검은색을 포함한 무채색 일변도이므로, 디자인적인 심미감을 우선시하는 현대 건축에서는 효율에 대비하여 설치 장소에 제약을 받을 수 밖에 없다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, 이하 'DSSC')가 1990년대에 도입되었다.
DSSC는 기존 반도체 태양전지와는 전혀 다른 광합성 원리로 구동되며, 기존의 무기 태양전지에 비해서 투명하고 색도 아름다우며, 무엇보다 제조비용이 실리콘 태양전지의 1/5에 불과하기 때문에 최근에 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
DSSC에서 빛을 받아 전자를 발생시키는 핵심 재료인 염료(dye)는 루테늄(Ru)계가 주로 사용되나 루테늄은 백금족 원소 중에서 가장 희귀한 물질로 엄청난 고가인 바, DSSC의 제조비용 중 루테늄계 염료가 차지하는 비중이 20%를 초과하게 되면서 DSSC의 가격 경쟁력 약화의 큰 요인 중 하나로 작용하고 있다.
또한, 루테늄은 인체에도 유해하기 때문에 대량으로 사용하기에 문제가 있으며, 나타낼 수 있는 색이 많지 않아서 다양한 색상 구현에 따른 수요자의 까다로운 요구에 폭넓게 대응하지 못하는 문제점 또한 있다.
따라서, 기존의 루테늄계 염료를 대체할 수 있으면서 저렴하고 친환경적이며 다양한 색상의 구현이 가능한 천연염료의 개발이 절실하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 기존의 무기 염료를 대체할 수 있는 저렴하고 친환경적이며 다양한 패턴의 구현이 가능한 천연염료를 이용한 염료감응 태양전지용 천연염료, 이를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피(木皮)로부터 추출된 염료를 염료감응 태양전지용 천연염료로 활용할 수 있을 것이다.
그리고, 본 발명은 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 염료를 염료감응 태양전지용 천연염료로 활용할 수 있으며, 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 염료를 염료감응 태양전지용 천연염료로 활용할 수도 있을 것이다.
그리고, 본 발명은 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 염료를 염료감응 태양전지용 천연염료로 활용할 수 있으며, 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 염료를 염료감응 태양전지용 천연염료로 활용할 수도 있을 것이다.
한편, 본 발명은 전술한 바와 같은 천연염료를 활용하여 표면에 제1 투명 전도성 산화물층이 형성되어 투명 재질의 음극계 전극을 형성하는 제1 기판과, 표면에 제2 투명 전도성 산화물층이 제1 투명 전도성 산화물층과 대면되게 형성되어 투명 재질의 양극계 전극을 형성하는 제2 기판과, 제1 투명 전도성 산화물층 상에 형성되고 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 조성물로부터 이루어진 나노산화물층과, 제2 투명 전도성 산화물층 상에 형성되고 백금, 은, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 조성물로부터 이루어진 상대전극층과, 나노산화물층을 형성하는 물질에 흡착되어 제1 기판으로부터 흡수된 광에너지를 흡수하여 정공(hole)과 전자를 발생시키는 염료와, 제1 기판과 제2 기판 사이에 개재되어 제1, 2 기판 상호 간의 통전을 유도하는 전해질층을 포함하며, 염료는 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피(木皮)로부터 추출된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다.
여기서, 염료는 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 것을 활용할 수 있으며, 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 것을 활용할 수도 있을 것이다.
여기서, 염료는 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 것을 활용할 수 있으며, 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 것을 활용할 수도 있을 것이다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하기 위하여 투명한 기판 상에 투명 전도성 산화물층을 형성하여 양극계 전극판 및 음극계 전극판을 제작하고, 양극계 전극판의 표면에 상대전극층을 형성하는 제1 단계와, 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피를 분쇄하여 획득한 계피분을 에탄올에 투입하여 60℃에서 1 내지 3시간 가열하여 추출된 염료에 음극계 전극판을 침지하여 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층 상에 염료를 침착시키는 제2 단계와, 양극계 전극판과 음극계 전극판 각각에 형성된 투명 전도성 산화물층이 대향되게 배치하고 양, 음극계 전극판의 가장자리를 따라 밀봉하는 제3 단계와, 양극계 전극판으로부터 홀을 천공하고 전해질을 주입한 후 밀봉하는 제4 단계를 포함하는 제조방법의 실시예를 제공할 수도 있음은 물론이다.
여기서, 염료는 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 것을 활용하거나 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 것을 활용할 수도 있음은 물론이다.
여기서, 염료는 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 것을 활용하거나 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 것을 활용할 수도 있음은 물론이다.
여기서, 제1, 2 투명 전도성 산화물층은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)로부터 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 제1 단계는 한 쌍의 투명한 기판을 일정 크기로 절단하고 세척한 후 건조하는 과정과, 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함하는 페이스트를 한 쌍의 투명한 기판에 각각 도포하고 500℃에서 15 내지 30분간 열처리하여 투명 전도성 산화물층을 형성하는 과정과, 양극계 전극판의 투명 전도성 산화물층 상에 백금, 은, 금 용액 중 어느 하나를 코팅하여 400℃에서 15 내지 30분간 열처리하여 상대전극을 형성하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 제2 단계는 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층에 염료를 24시간 접촉되게 침지하는 과정과, 투명 전도성 산화물층에 염료가 흡착되면 에탄올로 세척하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.
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상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 도모할 수 있을 것이다.
우선, 본 발명은 천연의 식물성분으로부터 염료를 추출하여 염료감응 태양전지의 염료로써 활용함으로써 고가이면서 환경에 매우 유해한 기존의 무기 염료를 대체하면서도 저렴하고 친환경적이면서 다양한 패턴의 구현이 가능한 태양전지를 제공할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 모듈화하여 제공할 수 있게 되므로, 최근의 건축물에서 유리창과 같이 빛을 투과하는 재질의 외장재로 마감되는 면적이 미관상으로도 늘어나는 추세에 있는만큼 신축건물이나 기존에 건설된 건물의 외벽 또는 유리창 등에 모듈화된 태양전지를 다양한 패턴으로 설치함으로써 미관의 향상을 도모할 수 있음은 물론, 전기 에너지의 자체적인 생산을 도모할 수도 있게 됨은 물론일 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 천연염료 중 계피로부터 추출된 염료와 대조군인 복분자로부터 추출된 염료의 가시광선 파장 대비 흡광도 및 투광도를 각각 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 전체적인 구조를 나타낸 개념도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 나타낸 블록선도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 전체적인 구조를 나타낸 개념도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 나타낸 블록선도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하고자 한다.
우선, 염료가 흡착된 나노입자 반도체 산화물(여기서는 TiO2를 예로 들어 설명하고자 함) 전극에 가시광선이 흡수되면 염료는 전자-정공(hole) 쌍을 생성하며, 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 전극 표면으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다.
염료분자에 생성된 정공은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되면서 염료감응 태양전지 작동과정이 완성되며, 염료감응 태양전지의 작동 과정을 요약하면 다음과 같다.
염료 + 빛 → 염료* (1) 태양에너지 흡수
염료* + TiO2 → e-(TiO2) + 염료+ (2) 전자 주입
염료+ + 3/2 I- → 염료 + 1/2 I3 - (3) 염료 환원
1/2 I3 - + e-(상대전극) → 3/2??I- (4) 전해질 환원
(*: 들뜬상태, I: 전해질, 상대전극: Pt)
태양전지의 효율은 표준 조건(1000 W/㎡)에서 입사된 광자가 전자로 변환되는 효율을 백분율로 표시한 것으로, 에너지 변환효율, 즉 태양전지의 효율(η)은 입사된 빛에너지(Pin)에 대한 발생된 전기에너지(Pout)의 비로 표현되면 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
Voc는 개방전압으로서 단락 상태에서 태양전지에 형성되는 전위차이며, Isc는 단락전류로서 회로가 단락된 상태에서 나타내는 전류밀도이다.
FF는 충진계수로서 Xe램프를 이용하여 얻어지는 태양 전지의 전류 전압(Isc-Voc) 곡선(x축은 Voc값을 y축은 Isc값을 나타낸 곡선)이 사각형에 가까이 갈수록 값이 1에 가까워진다.
본 발명자는 상기와 같은 변수를 감안하여 염료감응 태양전지에 사용될 염료를 식물로부터 추출하기 위하여 여러 종류의 식물을 선정하여 실험을 수행하였으며, 이하에서는 복분자(black raspberry, Rubus coreanus), 치자(cape jasmine, Gardenia jasminoides for grandiflora) 계피(cinnamon, Cinnamomum cassia Blume) 세 종류를 표본으로 하여 설명한다.
이들 식물로부터 추출되는 염료는 각각 자주, 노랑, 주황의 서로 다른 색을 나타내고, 주변에서 쉽게 구할 수 있는 천연염료이다.
복분자는 추출된 염료 색이 기존의 루테늄계 염료와 비슷한 자주색을 띠기 때문에 선정하였으며, 치자는 옛날부터 사용해 오던 우리 고유의 식물로 노란색 염료의 광감응성을 알아보기 위해 선정하였다.
계피 또한 예로부터 향신료나 약재 등으로 많이 사용되어 왔으며 주황색 염료의 광감응성을 파악하기 위해 선정하였다.
상기와 같은 식물로부터 추출된 천연염료를 사용한 태양전지의 효율(η)은 다음의 표 1과 같다.
| 복분자 | 치자 | 계피 | |
| Voc(V) | 0.458309 | 0.558977 | 0.57873 |
| Isc(mA/㎠) | 0.876961 | 0.379916 | 2.026164 |
| FF | 0.4982 | 0.636213 | 0.64022 |
| η(%) | 0.200236 | 0.135109 | 0.750723 |
표 1과 같이 태양전지의 효율(η)은 계피가 0.75%로 가장 높았으며, 복분자와 치자의 순으로 나타났다.
본 실험에서 태양전지의 효율(η)의 차이는 전류밀도의 차이에 기인하였다.
즉, Voc는 태양전지의 효율(η)이 가장 낮은 치자와 가장 높은 계피가 거의 차이가 없으나, Isc의 차이는 5배 이상으로, 이러한 전류밀도의 차이가 태양전지의 효율(η)을 결정짓는 중요한 요인임을 알 수 있다.
이는, 전압의 크기에 영향을 주는 두 염료의 밴드갭(band gap) 에너지는 비슷하나, 전류의 크기에 해당하는 광자 활성점의 수가 계피가 더 많다는 것을 의미한다.
여기서, 계피에서 추출한 염료는 루테늄계 염료나 복분자 염료처럼 진한 자주색이 아닌 진한 주황색이었고, 염료로 만든 태양전지의 색도 치자와 거의 비슷한 노란색을 나타냄에도 불구하고 태양전지의 효율(η)이 높았던 것은 계피에 포함된 쿠마린 유도체에 의한 것이다.
쿠마린은 방향제나 약품 등으로 사용되는 물질로 순수한 쿠마린은 무색이지만, 쿠마린에 카르복실기나 질소화합물 등의 치환기가 도입되면 색을 나타내면서 염료가 되는 것이다.
여기서, 계피에는 다른 염료용 식물에 비해 천연 쿠마린 유도체가 많이 들어있고 쿠마린 유도체는 종류에 따라 우수한 감광응 특성을 나타내며, 따라서 계피 추출액에 포함된 쿠마린 유도체가 추출된 염료액의 감광응성을 상승시켜 태양전지의 효율을 높인 것이다.
본 발명자는 추출한 천연염료의 가시광선 흡수특성을 파악하기 위하여 자외선-가시광선 분광분석(Optizen 2120)을 수행하였다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 천연염료 중 계피로부터 추출된 염료와 대조군인 복분자로부터 추출된 염료의 가시광선 파장 대비 흡광도 및 투광도를 각각 나타낸 그래프이다.
참고로, 도 1의 X축은 가시광선의 파장을 나타낸 축으로 단위는 nm이며, Y축은 흡광도를 나타내고, 도 2의 X축은 가시광선의 파장을 나타낸 축으로 단위는 nm이며, Y축은 투광도를 나타낸다.
또한, 실선은 계피의 것을, 점선은 복분자의 것을 각각 나타낸다.
복분자 염료는 도 1과 같이 650~ 680nm 사이에서 가시광선 흡수가 일어나며, 계피 염료는 600nm 아래에서 흡수가 시작되어 파장이 짧아질수록 흡광도가 크게 증가한다.
즉, 계피는 단파장에서, 복분자는 장파장에서 광흡수가 활발하고 많이 일어나는 것을 알 수 있으며, 복분자 염료의 곡선과 계피 염료의 곡선과 X, Y축이 이루는 면적을 비교하면 계피 염료가 더 넓은 바, 계피 염료가 태양빛을 상대적으로 더 많이 흡수함을 알 수 있다.
이는 계피 염료의 태양전지의 효율(η)이 복분자 염료보다 높은 표 1의 내용과 일치하는 결과이다.
계피 염료는 도 2의 투광도 그래프로부터 약 650nm에서, 그리고 복분자 염료는 약 480nm에서 전자전이가 시작되며, 전이가 일어난 전후의 투광도 차이는 계피 염료가 복분자 염료보다 큰 것을 알 수 있다.
따라서, 계피 염료가 태양광이 조사되었을 때 복분자를 포함한 여타 식물 염료보다 더 쉽게 전자를 생성하며, 생성되는 전자의 양도 훨씬 많다는 것을 알 수 있는 바, 이 결과 역시 계피 염료의 태양전지의 효율(η)이 복분자를 포함한 여타 식물 염료보다 큰 이유를 설명해 준다.
따라서, 본 발명의 염료감응 태양전지용 천연염료는 식물로부터 추출된 것으로, 구체적으로는 쿠마린 유도체를 함유한 식물로부터 추출된 것을 활용할 수 있다.
여기서, 본 발명의 염료감응 태양전지용 천연염료는 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피(木皮)로부터 추출된 것을 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 염료감응 태양전지용 천연염료는 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 것을 사용하거나, 전술한 군(群) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 추출된 천연염료를 조합하여 사용할 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 염료감응 태양전지용 천연염료는 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피, 당귀, 인진쑥, 미나리, 명일엽 중 하나로부터 추출된 것을 사용하거나 전술한 군(群) 중 적어도 하나 이상의 조합으로부터 추출된 것을 사용할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 전체적인 구조를 나타낸 개념도이다.
염료감응 태양전지는 도시된 바와 같이 제1 기판(10)과 제2 기판(20) 사이에 나노산화물층(30)과 상대전극층(40)과 염료(50) 및 전해질층(60)이 배치된 구조임을 알 수 있으며, 미설명 부호로 70은 제1, 2 기판(10, 20) 상호간의 밀봉을 위한 고분자층을 나타낸다.
제1 기판(10)은 표면에 제1 투명 전도성 산화물층(11)이 형성되어 투명 재질의 음극계 전극을 형성하는 것으로, 통상 유리 기판을 사용할 수 있다.
제2 기판(20)은 표면에 제2 투명 전도성 산화물층(21)이 제1 투명 전도성 산화물층(11)과 대면되게 형성되어 투명 재질의 양극계 전극을 형성하는 것으로, 제1 기판(10)과 같이 유리 기판을 사용할 수 있다.
제1, 2 기판(10, 20)은 유리와 같은 재질에 한정되지 않으며, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 트리아세테이트 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 합성수지를 적용할 수도 있다.
여기서, 제1, 2 투명 전도성 산화물층(11, 21)은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)로부터 형성되는 것이다.
나노산화물층(30)은 제1 투명 전도성 산화물층(11) 상에 형성되고, 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 조성물로부터 이루어진 것으로, 후술할 염료(50)의 흡착이 용이하도록 다공질의 것이다.
상대전극층(40)은 제2 투명 전도성 산화물(21)층 상에 형성되고, 백금, 은, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 조성물로부터 이루어진 것으로, 후술할 전해질층(60)을 형성하는 전해질의 환원반응을 촉진시키는 역할을 하는 것이다.
염료(50)는 나노산화물층(30)을 형성하는 물질에 흡착되어 제1 기판(10)으로부터 흡수된 광에너지를 흡수하여 정공(hole)과 전자를 발생시키는 역할을 하는 것으로, 전술한 바와 같이 식물로부터 추출된 천연염료인 것이 바람직하다.
전해질층(60)은 제1 기판(10)과 제2 기판(20) 사이에 개재되어 제1, 2 기판(10, 20) 상호 간의 통전을 유도하는 것으로, 다양한 물질을 사용할 수 있으며, 여기서는 요오드계 전해질용액(Butyl methyl imidazolium iodide과 Iodine)을 적용하였다.
따라서, 태양광의 에너지 전환 과정은 다음과 같이 일어나게 된다.
우선, 태양광이 음극계 전극, 즉 제1 기판(10)측을 통해 조사되면 광에너지는 나노산화물층(30)에 흡착된 염료(50)에 흡수되고, 염료(50)는 활성화되어 정공과 전자를 발생시킨다.
발생된 전자는 나노산화물층(30)을 통해 다시 제1 투명 전도성 산화물층(11)으로 전달되고, 제1 투명전도성 산화물층(11)에 연결된 회로(이하 미도시)를 통하여 양극계 전극, 즉 제2 기판(20)과 연결된 회로(이하 미도시)로 이동하게 되며, 제2 투명전도성 산화물층(21)을 통하여 다시 전해질층(60)으로 전달된다.
한편, 전자와 함께 발생된 정공은 전해질층(60)으로 통하게 되어 제1 투명전도성 산화물층(11)을 거쳐 제1 기판(10)을 통해 되돌아온 전자와 재결합함으로써 태양광의 에너지 전환 과정이 이루어지게 되는 것이다.
한편, 전술한 구조의 염료감응 태양전지를 제조하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 실시예를 적용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 나타낸 블록선도이며, 도 2에 표시되지 않은 도면의 부호는 도 1을 참고한다.
우선, 본 발명은 양극계 전극판과 음극계 전극판을 제작하고, 음극계 전극판에 염료를 침착시킨 후, 양극계 전극판과 음극계 전극판을 상호 조립한 다음, 전해질을 양극계 전극판과 음극계 전극판 사이에 주입하고 밀봉함으로써 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조가 완료되는 것임을 알 수 있다.
우선, 제1 단계(S10)에서는 투명한 기판 상에 투명 전도성 산화물층을 형성하여 양극계 전극판 및 음극계 전극판을 제작하고, 양극계 전극판의 표면에 상대전극층을 형성하는 작업이 이루어진다.
양극계 전극판은 전술한 제2 기판(20)이며, 음극계 전극판은 전술한 제1 기판(10)으로 투명한 재질, 즉 유리 또는 내구성과 내열성 및 내부식성 등이 우수한 다양한 종류의 합성수지 중에서 선택적으로 채택하여 제작할 수 있을 것이다.
다음으로, 제2 단계(20)에서는 식물로부터 추출된 염료에 음극계 전극판을 침지하여 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층 상에 염료를 침착시키는 작업이 이루어진다.
계속하여 제3 단계(S30)에서는 양극계 전극판과 음극계 전극판 각각에 형성된 투명 전도성 산화물층이 대향되게 배치하고 양, 음극계 전극판의 가장자리를 따라 밀봉함으로써 다음 단계의 준비가 완료된다.
최종적으로, 제4 단계(S40)에서는 양극계 전극판으로부터 홀(이하 미도시)을 천공하고 전해질을 주입한 후, 열가소성 수지 등으로 밀봉함으로써 제작이 완료되는 것이다.
여기서, 제1 단계(S10)는 구체적으로 살펴보면 한 쌍의 투명한 기판을 일정 크기로 절단하고 세척한 후 건조한 후, 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함하는 페이스트를 한 쌍의 투명한 기판에 각각 도포하고 500℃에서 15 내지 30분간 열처리하여 투명 전도성 산화물층을 형성한다.
다음으로, 양극계 전극판의 투명 전도성 산화물층 상에 백금, 은, 금 용액 중 어느 하나를 코팅하여 400℃에서 15 내지 30분간 열처리하여 상대전극을 형성하게 된다.
그리고, 제2 단계(S20)는 구체적으로 살펴보면 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층에 염료를 24시간 접촉되게 침지한 후, 투명 전도성 산화물층에 염료가 흡착되면 에탄올로 세척하는 작업을 실시하게 된다.
그리고, 제3 단계(S30)에서는 전술한 바와 같이 양극계 전극판과 음극계 전극판의 가장자리를 따라 밀봉하는 작업이 이루어지되, 밀봉 작업은 듀퐁사에서 개발한 썰린(Surlyn)과 같이 응고되면 투명한 재질의 플라스틱으로 밀봉되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 염료는 쿠마린 유도체를 함유한 식물로부터 추출된 것이 바람직함은 전술한 바와 같으며, 구체적으로는 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피(木皮)로부터 추출된 것을 사용할 수 있다.
그리고, 염료는 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 것을 사용하거나, 전술한 군(群) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 것을 사용할 수도 있음은 물론이다.
또한, 염료는 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피, 당귀, 인진쑥, 미나리, 명일엽 중 하나로부터 추출된 것을 사용하거나 전술한 군(群) 중 적어도 하나 이상의 조합으로부터 추출된 것을 사용할 수 있을 것이다.
제2 단계(S20)에서 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층에 흡착되기 위하여 우선 염료를 추출하는 작업이 선행되어야 하며 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피를 예를 들면, 계피나무의 목피를 분쇄하여 계피분을 획득하고, 상기 계피분을 에탄올에 투입하여 60℃에서 1 내지 3시간 가열하여 추출할 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이 계피나무의 목피로부터 추출되는 염료의 순도와 쿠마린 유도체의 함량이 높을수록 태양전지의 효율(η)이 높아지는 것은 분명한 바, 주황색 색소를 지닌 계피 이외에도 쿠마린 유도체가 다량 함유되고 다양한 색상을 지닌 식물로부터 염료를 추출하는 방법과 설비의 개발은 계속 이루어질 수 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명은 기존의 무기 염료를 대체할 수 있는 저렴하고 친환경적이며 다양한 패턴의 구현이 가능한 천연염료를 이용한 염료감응 태양전지용 천연염료, 이를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론일 것이다.
10...제1 기판 11...제1 투명 전도성 산화물층
20...제2 기판 21...제2 투명 전도성 산화물층
30...나노산화물층 40...상대전극층
50...염료 60...전해질층
70...고분자층
20...제2 기판 21...제2 투명 전도성 산화물층
30...나노산화물층 40...상대전극층
50...염료 60...전해질층
70...고분자층
Claims (28)
- 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피(木皮)로부터 추출된 염료인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료.
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- 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 염료인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료.
- 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 염료인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료.
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- 표면에 제1 투명 전도성 산화물층이 형성되어 투명 재질의 음극계 전극을 형성하는 제1 기판;
표면에 제2 투명 전도성 산화물층이 상기 제1 투명 전도성 산화물층과 대면되게 형성되어 투명 재질의 양극계 전극을 형성하는 제2 기판;
상기 제1 투명 전도성 산화물층 상에 형성되고, 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 조성물로부터 이루어진 나노산화물층;
상기 제2 투명 전도성 산화물층 상에 형성되고, 백금, 은, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 조성물로부터 이루어진 상대전극층;
상기 나노산화물층을 형성하는 상기 물질에 흡착되어 상기 제1 기판으로부터 흡수된 광에너지를 흡수하여 정공(hole)과 전자를 발생시키는 염료; 및
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 개재되어 상기 제1, 2 기판 상호 간의 통전을 유도하는 전해질층;을 포함하며,
상기 염료는 계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피(木皮)로부터 추출된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지.
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- 표면에 제1 투명 전도성 산화물층이 형성되어 투명 재질의 음극계 전극을 형성하는 제1 기판;
표면에 제2 투명 전도성 산화물층이 상기 제1 투명 전도성 산화물층과 대면되게 형성되어 투명 재질의 양극계 전극을 형성하는 제2 기판;
상기 제1 투명 전도성 산화물층 상에 형성되고, 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 조성물로부터 이루어진 나노산화물층;
상기 제2 투명 전도성 산화물층 상에 형성되고, 백금, 은, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 조성물로부터 이루어진 상대전극층;
상기 나노산화물층을 형성하는 상기 물질에 흡착되어 상기 제1 기판으로부터 흡수된 광에너지를 흡수하여 정공(hole)과 전자를 발생시키는 염료; 및
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 개재되어 상기 제1, 2 기판 상호 간의 통전을 유도하는 전해질층;을 포함하며,
상기 염료는 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피(木皮)로부터 추출된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지.
- 표면에 제1 투명 전도성 산화물층이 형성되어 투명 재질의 음극계 전극을 형성하는 제1 기판;
표면에 제2 투명 전도성 산화물층이 상기 제1 투명 전도성 산화물층과 대면되게 형성되어 투명 재질의 양극계 전극을 형성하는 제2 기판;
상기 제1 투명 전도성 산화물층 상에 형성되고, 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 조성물로부터 이루어진 나노산화물층;
상기 제2 투명 전도성 산화물층 상에 형성되고, 백금, 은, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 조성물로부터 이루어진 상대전극층;
상기 나노산화물층을 형성하는 상기 물질에 흡착되어 상기 제1 기판으로부터 흡수된 광에너지를 흡수하여 정공(hole)과 전자를 발생시키는 염료; 및
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 개재되어 상기 제1, 2 기판 상호 간의 통전을 유도하는 전해질층;을 포함하며,
상기 염료는 육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지.
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- 청구항 9, 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
상기 제1, 2 투명 전도성 산화물층은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지.
- 투명한 기판 상에 투명 전도성 산화물층을 형성하여 양극계 전극 및 음극계 전극판을 제작하고, 상기 양극계 전극판의 표면에 상대전극층을 형성하는 제1 단계;
계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피를 분쇄하여 획득한 계피분을 에탄올에 투입하여 60℃에서 1 내지 3시간 가열하여 추출된 염료에 상기 음극계 전극판을 침지하여 상기 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층 상에 상기 염료를 침착시키는 제2 단계;
상기 양극계 전극판과 상기 음극계 전극판 각각에 형성된 상기 투명 전도성 산화물층이 대향되게 배치하고 상기 양, 음극계 전극판의 가장자리를 따라 밀봉하는 제3 단계; 및
상기 양극계 전극판으로부터 홀을 천공하고 전해질을 주입한 후 밀봉하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 청구항 18에 있어서,
상기 제1 단계는,
한 쌍의 투명한 기판을 일정 크기로 절단하고 세척한 후 건조하는 과정과,
불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함하는 페이스트를 상기 한 쌍의 투명한 기판에 각각 도포하고 500℃에서 15 내지 30분간 열처리하여 상기 투명 전도성 산화물층을 형성하는 과정과,
상기 양극계 전극판의 상기 투명 전도성 산화물층 상에 백금, 은, 금 용액 중 어느 하나를 코팅하여 400℃에서 15 내지 30분간 열처리하여 상기 상대전극을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 청구항 18에 있어서,
상기 제2 단계는,
상기 음극계 전극판의 상기 투명 전도성 산화물층에 상기 염료를 24시간 접촉되게 침지하는 과정과,
상기 투명 전도성 산화물층에 상기 염료가 흡착되면 에탄올로 세척하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 투명한 기판 상에 투명 전도성 산화물층을 형성하여 양극계 전극 및 음극계 전극판을 제작하고, 상기 양극계 전극판의 표면에 상대전극층을 형성하는 제1 단계;
계피나무(Cinnamomum cassia Blume)의 목피로부터 추출된 염료에 상기 음극계 전극판을 침지하여 상기 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층 상에 상기 염료를 침착시키는 제2 단계;
상기 양극계 전극판과 상기 음극계 전극판 각각에 형성된 상기 투명 전도성 산화물층이 대향되게 배치하고 상기 양, 음극계 전극판의 가장자리를 따라 밀봉하는 제3 단계; 및
상기 양극계 전극판으로부터 홀을 천공하고 전해질을 주입한 후 밀봉하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 투명한 기판 상에 투명 전도성 산화물층을 형성하여 양극계 전극 및 음극계 전극판을 제작하고, 상기 양극계 전극판의 표면에 상대전극층을 형성하는 제1 단계;
육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 하나의 목피로부터 추출된 염료에 상기 음극계 전극판을 침지하여 상기 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층 상에 상기 염료를 침착시키는 제2 단계;
상기 양극계 전극판과 상기 음극계 전극판 각각에 형성된 상기 투명 전도성 산화물층이 대향되게 배치하고 상기 양, 음극계 전극판의 가장자리를 따라 밀봉하는 제3 단계; 및
상기 양극계 전극판으로부터 홀을 천공하고 전해질을 주입한 후 밀봉하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 천연염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 투명한 기판 상에 투명 전도성 산화물층을 형성하여 양극계 전극 및 음극계 전극판을 제작하고, 상기 양극계 전극판의 표면에 상대전극층을 형성하는 제1 단계;
육계나무(Cinnamomum loureirii NEES), 계피나무(Cinnamomum cassia Blume), 생달나무(Cinnamomum japonicum SIEB) 중 적어도 하나 이상의 목피로부터 조합하여 추출된 염료에 상기 음극계 전극판을 침지하여 상기 음극계 전극판의 투명 전도성 산화물층 상에 상기 염료를 침착시키는 제2 단계;
상기 양극계 전극판과 상기 음극계 전극판 각각에 형성된 상기 투명 전도성 산화물층이 대향되게 배치하고 상기 양, 음극계 전극판의 가장자리를 따라 밀봉하는 제3 단계; 및
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| KR1020110064288A KR101078369B1 (ko) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | 염료감응 태양전지용 천연염료, 이를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR101078369B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101319141B1 (ko) | 2011-12-21 | 2013-10-17 | 전남대학교산학협력단 | 염료감응 태양전지용 천연염료 용액 제조방법 및 이를 이용한 천연염료 감응 태양전지 제조방법 |
| CN105038301A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-11-11 | 浙江理工大学 | 一种桂皮天然染料的提取方法及其染色织物的制备 |
| CN108413624A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-08-17 | 拉萨市城关区地毯厂 | 基于太阳能槽式集热器为热源的植物染料制备系统 |
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| US451484A (en) * | 1891-05-05 | Excavator | ||
| JP2004264750A (ja) | 2003-03-04 | 2004-09-24 | Hitachi Maxell Ltd | 太陽電池作製キットおよびそれを用いた太陽電池の作製方法 |
| US20050126629A1 (en) | 2002-07-09 | 2005-06-16 | Fujikura Ltd. | Solar cell |
| KR100729854B1 (ko) * | 2005-06-14 | 2007-06-18 | 한국전기연구원 | 교육용 인공광합성 태양전지의 구조 및 그의 조립방법 |
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2011
- 2011-06-30 KR KR1020110064288A patent/KR101078369B1/ko not_active IP Right Cessation
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