KR101083390B1 - 염료감응 태양전지의 제조방법 - Google Patents

염료감응 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

기판 위에 배치된 투명전극, 상기 투명전극 위에 배치되어 있으며 염료가 흡착된 반도체화합물을 구비한 반도체층을 포함한 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 반도체층은 상기 투명전극 위에 반도체화합물의 막을 형성하는 단계, 금속수화물을 용매에 녹여 침지액을 제조하는 단계, 상기 반도체화합물의 막이 형성된 상기 기판을 상기 침지액에 침지시켜 상기 반도체화합물 표면에 상기 금속수화물을 코팅하는 단계, 및 상기 금속수화물의 코팅 후 염료액에 침지시켜 염료를 흡착시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는 염료감응 태양전지의 제조방법이 제공된다.

Description

염료감응 태양전지의 제조방법{Method for Fabricating Dye-Sensitized Solar Cell}
본 명세서에 개시된 기술은 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공정이 개선되고 광전변환 효율이 우수한 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
석유, 석탄 및 천연가스와 같은 화석연료 고갈의 위기감, 교토의정서의 기후변화 협약 발효, 신흥 개도국들(BRICs)의 경제성장에 따른 폭발적인 에너지 수요 등 기존 에너지와 차원이 다른 청정 무제한의 에너지가 요구되고 있으며, 국가적인 차원에서 신재생에너지의 기술개발이 진행되고 있다. 신재생 에너지 중에서 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이며, 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 전원공급용으로 광범위하게 활용되고 있다. 태양전지가 처음 만들어진 초기에는 주로 우주용으로 사용되었으나, 1970년대 2차례의 석유파동을 겪으면서 지상용 전원으로 활용하기 위한 가능성에 주목을 받게 되었고, 활발한 연구개발에 의해 1980년대부터 제한적으로 지상발전용으로 사용이 시작되었다. 최근에는 항공, 기상, 통신분야에 까지 사 용되고 있으며, 태양광자동차, 태양광에어콘 등도 주목받고 있다. 이러한 태양전지는 주로 실리콘을 이용하고 있으나, 이들은 반도체 소자 제작공정으로 제조되기 때문에 제조단가가 높으며, 또한 실리콘 원자재의 수급에 어려움을 겪고 있다. 이러한 상황에서 실리콘 소재를 전혀 사용하지 않는 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell; DSSC)가 본격 연구되기 시작하였고, 프린팅 방식에 의해 저가공정이 가능하며, 모양에 구애받지 않는 유연 태양전지 제조가 가능하여 현재 많은 주목을 받고 있다.
DSSC는 실리콘 태양 전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양 전지이다. 지금까지 알려진 DSSC 중에서 대표적인 예로는 1991년 스위스의 그라첼 등에 의해 발표된 것이 있다. 그라첼 등에 의한 태양 전지는 투명전극, 염료 분자가 입혀진 나노크기의 이산화티탄으로 이루어지는 반도체층, 대향전극(백금 전극) 및 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 이 전지는 기존의 실리콘 전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양 전지를 대체할 수 있는 가능성이 있다는 점에서 주목을 받아왔다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판 위에 배치된 투명전극, 상기 투명전극 위에 배치되어 있으며 염료가 흡착된 반도체화합물을 구비한 반도체층을 포함한 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 반도체층은 상기 투명전극 위에 반도체화합물의 막을 형성하는 단계, 금속수화물을 용매에 녹여 침지액을 제조하는 단계, 상기 반도체화합물의 막이 형성된 상기 기판을 상기 침지액에 침지시켜 상기 반도체화합물 표면에 상기 금속수화물을 코팅하는 단계, 및 상기 금속수화물의 코팅 후 염료액에 침지시켜 염료를 흡착시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는 염료감응 태양전지의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 위에 배치된 투명전극, 상기 투명전극 위에 배치되어 있으며 염료가 흡착된 반도체화합물을 구비한 반도체층을 포함하되, 상기 반도체층은 상기 투명전극 위에 반도체화합물의 막을 형성하는 단계, 금속수화물을 용매에 녹여 침지액을 제조하는 단계, 상기 반도체화합물의 막이 형성된 상기 기판을 상기 침지액에 침지시켜 상기 반도체화합물 표면에 상기 금속수화물을 코팅하는 단계, 및 상기 금속수화물의 코팅 후 염료액에 침지시켜 염료를 흡착시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성된 염료감응 태양전지가 제공된다.
이하, 본 명세서에 개시된 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 요 부(subject matter)의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고 및 도면에 기재되는 구성요소들은 다양하게 다른 구성으로 배열되고, 치환되고, 결합되고, 도안될 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 예상되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
일 구성요소 또는 일 층이 다른 구성요소 또는 다른 층 "의 위에" 또는 "에 연결"이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소 또는 상기 일 층이 상기 다른 구성요소 또는 다른 층의 바로 위에 형성 또는 바로 연결되는 경우는 물론, 이들 사이에 하나 이상의 구성요소 또는 층이 개재되는 경우도 포함할 수 있다.
종래의 염료감응 태양 전지의 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 염료감응 태양 전지는 제1기판(100), 제1전극(투명전극, 102), 재결합차단층(104), 반도체층(106), 광산란층(108), 전해질(110), 대향전극(112), 제2전극(114), 제2기판(116) 및 격벽(118)으로 구성된다. 통상의 DSSC는 반도체층(106)이 염료분자가 흡착된 나노크기의 반도체화합물(주로 이산화티탄: TiO2)로 이루어지며, 백금 상대전극 및 반도체층과 상대전극과의 사이에 채워진 요오드(I)계 전해질 용액으로 구성된다. 여기서, 염료 분자는 가시광선을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 역할을 하고, 반도체화합물(주로 이산화티탄)은 생성된 전자를 전달하는 역할을 한다. 통상의 DSSC의 작동 원리는 다음과 같다. 태양빛에 의해 여기된 염료들이 전자를 반도체화합물(주로 이산화티탄)의 전도대에 주입한다. 그 주입된 전자들은 반도체 화합물을 통과하여 제1전극(102)에 도달하여 외부회로로 전달된다. 여기서, 반도체층(106)을 구성하는 반도체화합물(주로 이산화티탄) 나노입자들과 제1전극(102)과의 사이에 접촉상태에 따라 외부회로로 전달되지 못하는 전자가 발생하게 된다. 즉 반도체화합물로부터 제1전극(102) 부근까지 전달된 전자들 중 일부는 제1전극(102)과 반도체화합물이 접촉되어 있지 않고 전해질(110)에 노출되어 있는 부분을 통해 전해질(110)로 다시 사라지게 된다. 이러한 현상을 재결합(recombination)이라 하며, 광전변환효율을 저하시키는 원인이 된다. 이러한 재결합 현상을 최소화하기 위하여 재결합차단층(104)을 형성하기도 한다.
또한 외부 태양광은 제1기판(100), 제1전극(102), 재결합차단층(104)을 거쳐 반도체층(106)에 도달하게 되며, 반도체층(106)에 존재하는 염료에 의해 태양광이 흡수된다. 그러나 외부로부터 도달된 태양광은 반도체층(106)에서 완전히 흡수되지 못하고 반도체층(106)을 통과해 버리는 광이 존재하게 되며, 이는 광전변환효율을 저하시키는 원인이 된다. 이와같이 반도체층(106)을 통과하는 광을 차단시키기 위하여 광산란층(108)을 형성하여 광산란을 유도(대한민국특허공개 제2003-0032538호)하고, 산란된 광이 다시 반도체층(106)에 흡수되도록 하기 위함이다.
상술한 바와 같이, 태양광을 흡수한 염료는 전자-홀 쌍을 형성하게 되며, 전자는 반도체화합물(주로 이산화티탄)을 거쳐 제1전극(102)으로 전달된다. 반면에 홀은 전해질(110)의 산화환원 반응을 통하여 대향전극(112)으로 전달되고, 제2전극(114)을 통하여 외부회로로 전달된다. 제1기판(100) 및 제2기판(116)으로는 유리가 가장 많이 활용되고 있으며, 제1전극(102) 및 제2전극(114)은 내열성이 우수한 FTO(F-doped tin oxide)가 가장 많이 이용되고 있다.
현재 DSSC의 상용화를 위해서는 광전변환 효율의 향상이 가장 선행되어야 할 항목으로서 다양한 방법이 시도되고 있다. 그 중에서 반도체층(106)을 구성하는 반도체화합물(주로 이산화티탄) 표면에 금속수화물 또는 금속산화물 계열의 물질을 코팅하여 광활성(광전변환효율)을 개선하는 방법이 널리 알려져 있다. 대한민국특허(등록번호 10-0643054)에 의하면 반도체화합물(주로 이산화티탄) 입자를 금속염을 포함하는 수용액에 분산, 볼밀링 및 고온(350~500℃)소성시켜 반도체화합물(주로 이산화티탄) 표면에 금속산화물이 코팅된 입자의 제조방법을 제공하고 있다. 이와 같이 반도체화합물(주로 이산화티탄) 표면에 코팅된 금속산화물 미립자는 염료의 흡착량을 증가시키고, 또한 염료에서 반도체화합물로 주입된 전자가 전해질에 의해 재결합되는 것을 방지하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있음을 제시하고 있다.
하지만, 이러한 금속산화물 미립자를 반도체화합물 표면에 코팅하는 공정은 별도의 장비 및 시간을 필요로 하는 문제가 있다. 이해를 돕기 위해 이상의 종래기술을 보다 구체화하면 반도체화합물(예로서 TiO2) 표면에 금속산화물을 코팅시키고 이를 투명전극 상에 박막으로 형성하기 위해서는 (1) 금속염 용액을 제조하고, (2) 상기 금속염 용액에 TiO2 분말을 가하여 볼밀링 시키는 단계, (3) 상기 금속염을 수화시켜 상기 TiO2 표면에 수화물을 코팅하는 단계, (4) 상기 TiO2 분말상에 코팅된 수화물로부터 산화물을 형성(고온소성)하는 단계, (5) 금속산화물이 코팅된 TiO2를 고분자 바인더 등과 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계, (6) 인쇄방식으로 투명전극에 수회 프린팅하는 단계 및 (8) 인쇄된 박막으로부터 유기성 고분자를 제거하기 위한 고온소성 단계 등의 여러 단계를 거쳐야 한다.
이상과 같이 효율 향상을 위해 반도체화합물 표면에 금속산화물을 코팅하게 되는 경우 공정이 복잡해지고, 공정시간 문제뿐만 아니라 별도의 공정장비가 필요 하는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 선원기술 등의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 공정이 개선된 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 침지법(Soaking method 또는 Dipping method)으로 반도체화합물 표면에 금속수화물을 코팅하는 기술을 도입한 염료감응 태양전지가 제공된다.
도 2는 금속수화물이 코팅된 반도체화합물을 구비한 반도체층을 포함하는 하판의 개략단면도이다. 도 2를 참조하면, 하판(20)은 제1기판(200), 제1전극(202), 재결합차단층(204), 반도체층(206), 광산란층(208)으로 구성된다.
반도체층(206)은 금속수화물(212)이 코팅된 반도체화합물(210)을 구비하고 있다. 반도체층(206)의 제조방법을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 용매에 금속수화물(212)을 가하여 침지액을 제조한 후 교반석을 이용하여 침지액을 교반시킨다. 이때 금속수화물(212)은 용매에 의해 완전히 해리하거나 일부 해리하여 금속이온이 된다. 다음 상기 침지액에 반도체화합물(210)이 구비된 반도체층(206)이 형성된 제1기판(200)을 침지시켜 일정시간 방치하면 반도체화합물(210) 표면에 금속수화물(212)이 코팅된다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 침지법으로 반도체화합물 표면에 금속수화물을 형성하여 염료감응 태양전지의 효율을 높일 수 있는 매우 간단한 방법이 제공된다.
본 발명에 의한 염료감응 태양전지의 제조는 이하의 방식으로 이루어질 수 있다.
<제1기판/제1전극 세정>
제1기판 상부에 형성된 제1전극을 아세톤, 에탄올, 증류수 혹은 이들의 혼합용액에 담근 후 초음파 세정을 실시한다. 상기 제1기판으로는 유리, 플라스틱, 금속호일 등이 사용될 수 있다. 상기 제1전극으로는 FTO외에도 ITO(인듐틴옥사이드), IZO(인듐진크옥사이드; indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등과 같이 투명전극이 이용될 수 있다.
<반도체화합물 형성>
세정된 상기 제1기판을 전구체용액(TiCl4)에 침지시킨 후, 공기 중 또는 산소 분위기에서 30분 이상 열처리(50~80℃)하여 재결합차단층을 형성한다. 이후, 평균입경이 20nm인 소립자 반도체화합물을 포함하는 페이스트를 상기 재결합차단층 위에 코팅한다. 이어서, 상기 소립자 반도체 화합물 상부에 평균입경이 300~400nm 정도의 입경의 대립자 반도체 화합물을 포함하는 페이스트를 상기 소립자 반도체 화합물 상부에 코팅시키고, 공기 중 또는 산소 분위기에서 약 30~60분간 열처리(450~550℃)를 실시하여, 재결합차단층, 반도체층 및 광산란층이 형성되도록 하여, 하판을 완성한다. 상기 금속화합물로는 염료로부터 전달 받은 전자를 제1전극까지 안전하게 전달 할 수 있는 물질이어야 하며, TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3 등과 같은 금속산화물이 이용될 수 있다. 상기 반도체 화합물을 구성하는 방법으로는 닥터블레이드 코팅, 스크린프린팅, 플렉소그라피(Flexography)방식, 그라비아 프린팅 방식 등이 이용될 수 있다. 한편, 도 2에서 보는 바와 같이 DSSC의 하판은 제1기판/제1전극/재결합차단층/반도체층/광산란층으로 이루어질 수 있으나, 재결합차단층 및 광산란층은 염료감응 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 목적으로 형성시킨 것이기 때문에 재결합방지층이나 광산란층 중 어느 한 층 또는 두 층 모두 없어도 염료감응 태양전지의 작동에는 문제가 없다.
<금속수화물 형성>
반도체층 표면에 금속수화물을 형성시키기 위해, 본 발명에서는 금속수화물을 물이나 알콜류 또는 이들의 혼합용매에 용해시켜 침지액을 제조한 후, 반도체층이 형성된 상기 제1기판을 상기 침지액에 침지시킨다. 이 때, 침지시간은 1 내지 30분 정도면 적당하며, 침지가 끝난 뒤 증류수 및 알콜류의 용매를 이용하여 세정을 실시하고, 이를 60~70℃정도의 온도에서 10~20분 정도 건조하여, 반도체화합물 표면에 금속수화물이 흡착된 반도체층을 제조한다. 상기 금속수화물로는 Ca(OH)2, NaOH, KOH, LiOH 및 Ba(OH)2 등이 사용될 수 있다.
<염료도입>
태양전지를 완성하기 위해서는 상기 금속수화물이 흡착된 반도체층 표면에 염료가 도입되어야 한다. 이와 같은 염료는 광을 흡수함으로써 기저상태에서 여기상태로 전자를 전이시켜 전자-홀 쌍을 이루게 되며, 여기상태의 전자는 상기 반도체화합물(210)의 전도대로 주입된 후 전극으로 이동하여 기전력을 발생하게 된다. 이때 사용되는 염료로서는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물[예를 들어, N719 dye; bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato)-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II), N3 dye; cis-bis(4,4-dicarboxy-2,2-bipyridine)dithiocyanato ruthenium(II), Black dye; triisothiocyanato-(2,2:6,6”-terpyridyl-4,4,4”-tricarboxylato) ruthenium(II) tris(tetra-butylammonium)]이 바람직하다. 하지만 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 루테늄 착물 이외에도 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카르비블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소, 유기계 염료 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
이러한 염료의 용매로서는 터셔리부틸알콜, 아세토니트릴 또는 이들의 혼합물이 이용될 수 있고, 상기 반도체층이 형성된 하판을 1시간 ~ 72시간 동안 염료용액에 담궈서 반도체화합물 표면에 염료를 도입시키면 충분하다. 이때 광산란층용 반도체화합물 표면에도 염료가 도입될 수 있으며, 재결합차단층용 반도체화합물에는 염료의 침투가 어렵기 때문에 극미량의 염료만 도입되거나, 거의 도입이 일어나지 않게 된다. 염료의 도입이 끝나게 되면 반도체 표면에 묻어있는 염료를 알콜류의 용매로 세척한 뒤, 건조한다.
<대향전극 형성>
본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법에서 대향전극은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하며, 구체적으로는 백금, 금 및 카본 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 대향전극은 스퍼트 등을 이용한 진공증착으로 형성할 수도 있으며, 페이스트 상태의 도전성물질 전구체를 제2전극/제2기판에 코팅, 소성하여 사용할 수도 있다. 상기 제2기판으로는 유리, 플라스틱, 금속호일 등이 사용될 수 있으며, 상기 제2전극으로는 FTO외에도 ITO(인듐틴옥사이드), IZO(인듐진크옥사이드; indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등이 이용될 수 있다.
<전해질 주입 및 봉지 공정>
제2기판/제2전극/대향전극의 특정부위에 전해질 주입을 위해 1 mm 내외의 직경을 갖는 구멍을 형성시킨다. 이러한 상판(제2기판/제2전극/대향전극)과 앞서 제시된 방법에 의해 제조된 하판(제1기판(200)/제1전극(202)/반도체층(206)) 사이에 격벽(두께 약 40 μm 내외)을 배치시키고, 100 내지 140 ℃의 가열판 상에서 약 1 내지 3 기압으로 상기 하판과 상판을 밀착시켜 봉지공정을 완성한다. 상기 격벽재료로는 Solaronix 사의 "sealing material"이라는 고분자소재, Dupont 사의 "Surlyn", 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제 등을 사용할 수 있다. 다음으로 상기 대향전극의 표면에 형성된 미세 구멍을 통하여 상기 두 판 사이의 공간에 전해질 용액을 충진하고 구멍을 밀봉시킴으로서 본 발명에 의한 염료감응 태양전지가 완성된다. 상기 전해질은 0.8M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-octyl-imimdazolium iodide)와 40 mM의 I2(iodine)을 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitile)에 용해시킨 I3-/I-를 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 유기반도체 소재(전도성 고분자) 등 어느 것이나 제한 없이 사용될 수 있다.
상술한 본 발명의 제조방법에 따르면, 반도체화합물 표면에 졀연 코팅을 하여 재결합을 방지함으로써 염료 감응형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 금속수화물 용액에 반도체층을 침지시켜 반도체화합물의 표면을 처리하는 간단 한 공정을 사용함으로써 종래 기술에 비해 개선된 방법으로 반도체 화합물 표면에 절연코팅(금속수화물 코팅)이 가능하다.
이하 본 발명의 염료감응 태양전지 구현방법을 실시예를 통하여 구체화하지만, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
비교예 1
세정된 FTO 기판을 40 mM의 TiCl4 수용액(70℃)에 30분간 침지시켜 재결합방지층을 형성하였다. 이어서 상용(제조업체: Solaronix, TiO2 입경: 20 nm) TiO2 페이스트를 닥터블레이드 방법으로 코팅한 후, 이어서 평균입경 400 nm의 TiO2를 포함하는 페이스트를 이용하여 광산란층용 페이스트막을 형성하였다. 이상의 공정을 거친 FTO 기판을 500℃에서 60분간 소성하여 재결합차단층, 반도체화합물층 및 광산란층을 형성시켰다. 소성된 기판을 염료용액(Solaronix 사의 N719를 아세토니트릴 + tert-부틸알코올에 0.5 mM의 농도로 용해)에 24시간 동안 침지시켜 TiO2 공극 내로 염료가 충분히 침투하도록 하여 하판을 제조하였다. Pt 페이스트를 세정된 FTO 기판상에 코팅한 후 400℃에서 30분간 소성하여 대향전극을 형성시킴으로서 상판을 제조하였다. Pt 페이스트를 코팅하기 전에 전해질 주입을 위해 두개의 구멍을 미리 뚫어 두었다. 상기 상판과 상기 하판을 상호 대향하도록 배치시키고 그 사이에 격벽재료인 Sealing material(Solaronix사 제품, 두께 약 60 μm)을 설치하였다. 이 를 120 ℃의 가열판 상에 올린 상태에서 상부로부터 압력을 가하여 상기 상판과 상기 하판을 밀착시켰다. 열과 압력에 의하여 상기 격벽재료는 두 상하판 표면에 강하게 부착된다. 이어서, 상기 상판에 미리 형성시킨 구멍을 통하여 상기 상판과 상기 하판사이에 전해질을 채워 넣는다. 이때 사용된 전해질은 Solaronix사의 I-/I3 - 산화환원쌍을 사용하였다. 전해질 용액이 모두 채워지면 상판에 형성시킨 구멍을 봉지시키면 태양전지 소자제작이 완성된다. 완성된 소자의 광전변환효율은 솔라 시뮬레이터 및 I-V 측정 장비를 이용하였다. 제작된 태양전지 소자에 AM 1.5 조건(100mW/cm2)의 빛을 소자에 조사한 후, I-V 커브를 확보하였고, 이로부터 VOC(Open circuit voltage)는 0.58V, JSC(short circuit current density)는 20.76 mA/cm2 및 필 팩터(Fill Factor)는 0.57을 나타내었으며 이로서 6.8%의 광전변환 효율을 나타내었다.
실시예 1
비교예 1에서 제시한 태양전지 제조과정 중 하판을 소성 한 뒤, 염료를 도입하기 전에 0.05M의 소듐하이드록사이드(NaOH) 침지액에 30분 침지시키는 추가공정을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 염료감응태양전지를 제조하였다. 여기서 침지액은 유리비이커에 증류수 100ml를 넣고, 여기에 소듐하이드록사이드(NaOH)를 용해시켜 0.05M 농도로 제조하였다. 태양전지 소자는 동일한 장비 및 방법으로 광전변 환 효율을 측정하였다. 측정결과를 도 3에 나타내었다. VOC는 0.77V, JSC는 16.72 mA/cm2 및 필 팩터(Fill Factor)는 0.66을 나타내었으며 이로서 8.5%의 광전변환 효율을 나타내었다.
실시예 2
실시예 1에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 금속수화물을 NaOH 대신에 LiOH를 사용한 것을 제외하고는 모두 동일하게 하여 염료감응 태양전지를 제조하였다. 이때 측정결과는 VOC는 0.78V, JSC는 15.23 mA/cm2 및 필 팩터(Fill Factor)는 0.69을 나타내었으며 이로서 광전변환 효율은 8.2%를 나타내었다.
실시예 3
실시예 1에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 금속수화물을 NaOH 대신에 KOH를 사용한 것을 제외하고는 모두 동일하게 하여 염료감응 태양전지를 제조하였다. 이때 측정결과는 VOC는 0.63V, JSC는 23.31 mA/cm2 및 필 팩터(Fill Factor)는 0.56을 나타내었으며 이로서 광전변환 효율은 8.3%를 나타내었다.
실시예 4
실시예 1에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 금속수화물을 NaOH 대신에 Ba(OH)2를 사용한 것을 제외하고는 모두 동일하게 하여 염료감응 태양전지를 제조하였다. 측정결과를 도 4에 나타내었다. VOC는 0.77V, JSC는 17.92 mA/cm2 및 필 팩터(Fill Factor)는 0.61을 나타내었으며 이로서 광전변환 효율은 8.4%를 나타내었다.
도 1은 종래의 염료감응 태양 전지의 구조를 나타낸 개략단면도이다.
도 2는 금속수화물이 코팅된 반도체화합물을 구비한 반도체층을 포함하는 하판의 개략단면도이다.
도 3은 실시예 1에 의한 염료감응 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 4에 의한 염료감응 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

  1. 기판 위에 배치된 투명전극, 상기 투명전극 위에 배치되어 있으며 염료가 흡착된 반도체화합물을 구비한 반도체층을 포함한 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 반도체층은 상기 투명전극 위에 반도체화합물의 막을 형성하는 단계; 금속수화물을 용매에 녹여 침지액을 제조하는 단계; 상기 반도체화합물의 막이 형성된 상기 기판을 상기 침지액에 침지시켜 상기 반도체화합물 표면에 상기 금속수화물을 코팅하는 단계; 및 상기 금속수화물의 코팅 후 염료액에 침지시켜 염료를 흡착시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 금속수화물은 Ca(OH)2, NaOH, KOH, LiOH 및 Ba(OH)2로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인 염료감응 태양전지의 제조방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 용매가 물, 에탄올, 및 이소프로필 알콜로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인 염료감응 태양전지의 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체화합물은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, 및 TiSrO3로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인 염료감응 태양전지의 제조방법.
  5. 기판 위에 배치된 투명전극, 상기 투명전극 위에 배치되어 있으며 염료가 흡착된 반도체화합물을 구비한 반도체층을 포함하되,
    상기 반도체층은
    상기 투명전극 위에 반도체화합물의 막을 형성하는 단계;
    금속수화물을 용매에 녹여 침지액을 제조하는 단계;
    상기 반도체화합물의 막이 형성된 상기 기판을 상기 침지액에 침지시켜 상기 반도체화합물 표면에 상기 금속수화물을 코팅하는 단계; 및 상기 금속수화물의 코팅 후 염료액에 침지시켜 염료를 흡착시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성된 염료감응 태양전지.
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