KR101084208B1 - 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 - Google Patents
염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 채용한 염료감응 태양전지가 제시된다. 상기 광전극은 평균입경이 100 내지 500 nm이고, 비표면적이 150 내지 300m2/g이고, 기공 평균직경이 2 내지 7nm인 중형 기공을 포함하고 있다.
Description
염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지가 제시된다.
염료감응 태양전지는 감광성 염료가 흡착된 광전극, 산화/환원 이온쌍을 포함한 전해질 및 백금 촉매가 포함된 상대전극으로 구성된다. 그중에서 광전극은 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속 산화물 입자를 사용한다.
염료감응 태양전지는 태양광이 입사하면 태양광을 흡수한 감광성 염료가 여기상태로 되어 전자를 금속 산화물의 전도대로 보낸다. 전도된 전자는 이동하여 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고 전기에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대전극으로 이동한다.
그 후, 감광성 염료는 금속 산화물에 전달한 전자수만큼 전해질용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이 때 사용하는 전해질은 산화-환원 반응에 의하여 상대전극으로부터 전자를 받아 감광성 염료에 전달하는 역할을 한다.
염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 높이기 위해서는 전지의 감광성 염료에 도달하는 태양광의 손실을 최소화하고 태양광에 의해 염료에서부터 발생된 전하가 각각의 전극으로 원할하게 이동하도록 하는 것이 중요하다.
염료감응 태양전지를 구성하는 2개의 전극중 금속 산화물 나노 입자의 광전극을 구성하는 이산화티탄 입자의 크기를 점진적으로 증가시켜 여러층의 광산란 전극을 쌓거나 수백 나노크기의 이산화티탄 입자들을 수십 나노 크기로 이루어진 이산화티탄 전극과 혼합하여 광산란을 유도하는 연구들이 진행되고 있다.
본 발명의 일구현에에 따르면, 효율이 개선된 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료 감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따라 평균입경이 100 내지 2000 nm, 비표면적이 150 내지 300m2/g이며, 중형기공을 갖고 있는 중형다공성 이산화티탄 입자와, 상기 이산화티탄 입자의 표면에 감광성 염료를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극이 제공된다. .
상기 중형다공성 이산화티탄 입자는 기공 간격이 4 내지 15 nm이고, 중형 기공의 평균 직경이 2 내지 7nm이고 중형기공의 기공 부피가 0.3~0.8cc/g이다.
상기 중형다공성 이산화티탄 입자는, CuK-알파 특성 X-선 파장 1.541Å에 대한 브래그 2θ각의 주 피크가 0.8 ~ 1.2도, 1.5~3도 및 25 ~ 30도 사이에서 하나 이상 나타난다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 중형다공성 이산화티탄 입자, 바인더용 고분자, 산 및 용매를 혼합하여 광전극 형성용 조성물을 준비하는 단계; 및
상기 광전극 형성용 조성물을 기재상에 코팅한 후, 이를 열처리하는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법이 제공된다.
상기 중형다공성 이산화티탄 입자는, 이산화티탄 전구체, 산 및 용매를 혼합 하여 이산화티탄 전구체 혼합물을 얻는 단계; 상기 이산화티탄 전구체 혼합물을 중형 다공성 실리카에 함침시키고, 이를 건조 및 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 결과물로부터 중형다공성 실리카를 제거하는 단계를 거쳐 형성된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라 제1전극; 상기 제1전극의 일면에 형성되는 상술한 광전극;
상기 광전극이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극; 및
상기 제1전극과 제2전극 사이에 개재된 전해질을 구비하는 염료감응 태양전지가 제공된다.
본 발명의 일구현예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극을 이용하면, 광전류밀도가 증가하여 이를 구비한 염료감응 태양전지는 효율 등이 향상된다.
본 발명의 일구현예에 따른 염료감응형 태양전지용 광전극은 중형다공성 이산화티탄 입자를 함유하고 표면에 감광성 염료를 포함하며, 상기 중형다공성 이산화티탄 입자의 평균입경이 100 내지 500 nm이고, 비표면적이 150 내지 300m2/g이고, 상기 중형다공성 이산화티탄 입자의 중형기공의 평균직경이 2 내지 7nm이다.
상기 중형기공의 기공 간격은 4 내지 15nm이다. 그리고 중형기공의 기공 부피는 0.3 내지 0.8cc/g이다. 여기에서 기공 간격은 기공간에 떨어진 거리(또는 간격)을 말한다.
상기 중형 다공성 이산화티탄은 구형이고, CuK-알파 특성 X-선 파장 1.541Å에 대한 브래그 2θ각의 주 피크가 0.8 ~ 1.2도, 1.5 ~ 3도 및 25 ~ 30도 사이에서 하나 이상 나타나는 특성을 갖고 있다. 예를 들어, CuK-알파 특성 X-선 파장 1.541Å에 대한 브래그 2θ각의 주 피크가 0.8 ~ 1.2도, 1.5 ~ 3도 및 25 ~ 30도에서 나타난다. 이와 같은 XRD 특성을 나타내면 규칙 중형다공성 이산화티탄(ordered titanium oxide)으로 볼 수 있다. 상기 X선 회절 특성을 조사하는 분석기기는 Rigaku사의 D/MAX-III이고, 분석 조건은 Cu Kα radiation를 사용하여 0.8 ~ 1.2도 5 ~ 80도 사이에서 측정하였다.
본 발명의 일구현에 따른 중형다공성 이산화티탄의 제조방법을 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 중형다공성 이산화티탄의 형성과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
먼저 구조화된 중형 다공성 실리카(ordered mesoporous silica: OMS) 주형물질(template)에 소정함량비의 이산화티탄(TiO2) 전구체를 도입하고, 이를 건조 및 열처리하여 OMS-탄소 복합체를 형성한다. 여기에서 구조화된 중형 다공성 실리카(OMS)는 기공이 규칙적으로 배열되어 있어서 2도 이하의 XRD 피크가 나타나는 특성의 중형 다공성 실리카를 말한다.
이어서, 상기 OMS-탄소 복합체로부터 구조화된 중형 다공성 실리카를 제거하여 중형다공성 이산화티탄 특히, 구조화된 중형 다공성 이산화티탄을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 일구현예에 따른 중형 다공성 이산화티탄의 제조방법을 보다 상세하게 살펴 보기로 한다.
이어서, 상기 OMS-탄소 복합체로부터 구조화된 중형 다공성 실리카를 제거하여 중형다공성 이산화티탄 특히, 구조화된 중형 다공성 이산화티탄을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 일구현예에 따른 중형 다공성 이산화티탄의 제조방법을 보다 상세하게 살펴 보기로 한다.
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이산화티탄 전구체, 산 및 용매를 혼합하여 이산화티탄 전구체 혼합물을 얻는다.
상기 이산화티탄 전구체로는 티타늄 에톡사이드, 티타늄 메톡사이드, 티타늄 이소프로폭사이드와 같은 티타늄 알콕사이드, 티타늄 클로라이드 등을 사용한다.
상기 이산화티탄 전구체로는 티타늄 에톡사이드, 티타늄 메톡사이드, 티타늄 이소프로폭사이드와 같은 티타늄 알콕사이드, 티타늄 클로라이드 등을 사용한다.
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상기 산으로는 유기산과 무기산이 모두 가능하다. 예를 들어 황산, 질산,
인산, 파라톨루엔 황산 등이 있다.
상기 이산화티탄 전구체의 중량은, 중형 다공성 실리카 100 중량부를
기준으로 하여 50 내지 120 중량부인 것이 바람직하다. 이산화티탄 전구체의 함량이 상기 범위일 때, 입자간 응집없이 중형 다공성 티타늄의 구조가 제대로 형성된다.
상기 용매로는 티타늄 전구체를 균일하게 분산시킬 수 있는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 이의 구체적인 예로서, 물, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알콜, 부탄올, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 테트라부틸아세테이트, n-부틸아세테이트, m-크레졸, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 감마-부티로락톤, 헥사플루오로이소프로판올(HFIP) 등이 있고, 이들은 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다.
상기 이산화티탄 혼합물에서 산의 함량은 중형 다공성 실리카 100 중량부에 대하여 30 내지 300 중량부인 것이 바람직하다. 여기에서 산의 함량이 상기 범위인 경우, 중형 다공성 이산화티탄이 원할하게 형성된다. 또한, 상기 이산화티탄 혼합물에서 용매의 함량은 중형 다공성 실리카 100 중량부에 대하여 400 내지 900 중량부인 것이 바람직하다. 만일 상기 이산화티탄 혼합물에서 용매의 함량이 상기 범위인 경우, 입자간 응집없이 이산화티탄 전구체를 잘 용해시킬 수 있다.
상기 용매로는 티타늄 전구체를 균일하게 분산시킬 수 있는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 이의 구체적인 예로서, 물, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알콜, 부탄올, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 테트라부틸아세테이트, n-부틸아세테이트, m-크레졸, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 감마-부티로락톤, 헥사플루오로이소프로판올(HFIP) 등이 있고, 이들은 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다.
상기 이산화티탄 혼합물에서 산의 함량은 중형 다공성 실리카 100 중량부에 대하여 30 내지 300 중량부인 것이 바람직하다. 여기에서 산의 함량이 상기 범위인 경우, 중형 다공성 이산화티탄이 원할하게 형성된다. 또한, 상기 이산화티탄 혼합물에서 용매의 함량은 중형 다공성 실리카 100 중량부에 대하여 400 내지 900 중량부인 것이 바람직하다. 만일 상기 이산화티탄 혼합물에서 용매의 함량이 상기 범위인 경우, 입자간 응집없이 이산화티탄 전구체를 잘 용해시킬 수 있다.
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상기와 같이 제조한 이산화티탄 전구체 혼합물을 중형 다공성 실리카에 함침시키고, 이를 건조하고 열처리한다.
상기 중형 다공성 실리카로는, 일차원 기공들이 미세 세공(micropore) 등으로 서로 연결된 구조를 갖는 분자체 물질로서 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만, 삼차원 연결 구조를 갖는 분자체 물질로서 입방 구조를 갖는 MCM-48, 다른 입방 구조를 갖는 SBA-1, 육방 구조를 갖는 SBA-15, MSU-1 기공이 불규칙하게 삼차원으로 연결된 구조를 갖는 KIT-1 등이 바람직하고, 그 외에도 일차원 기공들이 미세 세공으로 상호 연결된 구조를 갖는 다양한 종류의 중형 다공성 분자체 물질들을 포함하는 다양한 종류의 분자체 물질들이 바람직하다.
상기 중형 다공성 실리카로는, 일차원 기공들이 미세 세공(micropore) 등으로 서로 연결된 구조를 갖는 분자체 물질로서 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만, 삼차원 연결 구조를 갖는 분자체 물질로서 입방 구조를 갖는 MCM-48, 다른 입방 구조를 갖는 SBA-1, 육방 구조를 갖는 SBA-15, MSU-1 기공이 불규칙하게 삼차원으로 연결된 구조를 갖는 KIT-1 등이 바람직하고, 그 외에도 일차원 기공들이 미세 세공으로 상호 연결된 구조를 갖는 다양한 종류의 중형 다공성 분자체 물질들을 포함하는 다양한 종류의 분자체 물질들이 바람직하다.
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상기 함침 온도는 특별히 제한되는 것은 아니나, 상온에서 실시하는 것이 바람직하다.
또한 상기 중형 다공성 실리카는 상업적으로 입수가능한 것도 있고, 하기 방법에 따라 제조된 것을 사용할 수 있다.
우선 계면활성제를 적당한 농도로 증류수에 녹인 후 실리카 프리커서를 넣고 교반을 하여 준다.
상기 실리카 프리커서로는 콜로이달 실리카(상품명: Ludox HS-40 (Aldrich)) 등을 사용한다.
상기 계면활성제의 종류와 농도에 따라 메조기공의 크기와 형태를 다양하게 합성 할 수 있으며 교반 시간과 교반 온도 수열처리 온도에 따라 입자의 형태가 다양해 진다. 상기 계면활성제로는 폴리에틸렌글리콜-b-폴리프로필렌글리콜-블록-폴리에틸렌글리콜 {Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)(상품명: P123(M.W.5750)) 등을 사용한다.
상기 계면활성제의 함량은 실리카 프리커서 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 30 중량부이다.
반응이 끝난 후 필터를 실시하고 그 결과물을 건조 및 열처리를 하면 파우더 기공 내에 남아있는 계면활성제를 완전히 제거하여 중형 다공성 실리카를 얻을 수 있다.
상기 열처리는 400-550oC에서 이루어진다.
상기 함침 이후에 함침된 혼합물을 건조시킨다. 이 때 건조온도는 특히 한정되는 것은 아니지만 80 내지 160℃, 일실시예에 따르면 약 160℃인 것이 바람직하고, 신속한 건조를 위해 감압 분위기에서 건조시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 건조된 결과물은 바로 열처리시킬 수도 있지만, 상술한 과정을 2회 내지 10 회 반복하는 것이 바람직하다. 즉, 상기에서 건조한 결과물에 상기에서 제조한 이산화티탄 전구체 혼합물을 함침시킨다. 그런 후 상기한 바와 동일 한 방법으로 건조과정을 수행한다.
상술한 바와 같이 건조한 후에는 열처리를 실시한다.
상기 열처리는, 상기 건조된 결과물을 전기로 등과 같은 가열수단을 이용하여 400 내지 550℃의 온도로 열처리함으로써 이루어진다. 만일 상기 열처리 온도가 상기 범위인 경우 중형 다공성 이산화티탄의 기공 균일도가 일정하게 유지될 수 있다.
상기 열처리는 비산화 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 비산화 분위기는 진공 분위기, 질소 분위기 및 불활성 가스 분위기 중에서 선택될 수 있다.
그 후, 상술한 과정에 따라 얻은 결과물로부터 중형 다공성 실리카 주형을 선택적으로 용해시킬 수 있는 용매를 이용하여 상기 중형 다공성 실리카 주형을 제거한다.
상기 중형 다공성 실리카를 선택적으로 용해시킬 수 있는 용매는, 예를 들면, 수산화나트륨(NaOH) 수용액 등을 포함한다. 여기에서 수산화나트륨 수용액의 농도는 5 내지 30중량%이다.
본 발명의 일구현예에 따라 얻은 중형 다공성 이산화티탄은 기공들이 규칙적으로 배열되어 있는 특성을 갖고 있는 구조화된 중형 다공성 이산화티탄(ordered mesoporous titanium oxide) 이다.
또한 본 발명의 중형 다공성 이산화티탄은 중형기공을 갖고 있는데, 이 중형 기공의 평균 직경이 2 내지 10 nm이고, 비표면적이 100 내지 200 m2/g이다.
상기 중형다공성 이산화티탄은 중형기공들이 규칙적으로 배열된 구조를 가지므로 X-선 회절 분석에서 CuK-알파 특성 X-선 파장 1.541Å에 대한 브래그 2θ각의 주 피크가 적어도 0.8 ~ 1.2도, 1.5 ~ 3도 및 25 ~ 30도 사이에서 나타난다.
여기에서 0.8-1.2도 사이에서 나타나는 피크는 중형 기공의 규칙적 배열에 의해 나타나는 피크이고, 25-30도 사이에서 나타나는 피크는 티타늄 옥사이드 골격에서의 티타늄과 산소의 규칙적 배열에 의해 나타나는 피크이다.
상술한 바와 같이 제조된 본 발명의 일구현예에 따른 중형다공성 이산화티탄은 염료감응 태양전지 광전극 제조시 사용된다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 염료감응 태양전지 광전극 및 이를 구비한 염료감응 태양전지의 제조과정을 살펴보면 다음과 같다.
상기 중형다공성 이산화티탄, 산, 바인더용 고분자 및 용매를 혼합하여 광전극 형성용 조성물을 준비한다.
상기 조성물은 점도가 10000~30000mPas (vis 30) 정도로서 페이스트 상태를 나타낸다. 상기 산으로는 염산, 질산, 아세트산 등을 사용하며, 그 함량은 중형다공성 이산화티탄 100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 300 중량부이다.
상기 바인더용 고분자로는 에틸셀룰로오즈, 하이드로프로필셀루로오즈 등을 사용하며, 바인더용 고분자의 함량은 중형다공성 이산화티탄 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 50 중량부이다.
상기 용매로는 테르피네올, 에탄올, 증류수, 에틸렌글리콜, 알파-테르피네올 등을 이용하며, 그 함량은 중형다공성 이산화티탄 100 중량부를 기준으로 하여 200 내지 900 중량부이다. 여기에서 용매의 함량이 상기 범위일 때 이로부터 형성된 광전극의 광전류 특성이 양호하다.
상기 광전극 형성용 조성물을 기재 즉 제1기판의 제1전극상에 도포한 후, 이를 400 내지 550℃에서 열처리하면 광전극이 형성된다.
상기 광전극 형성용 조성물을 기판에 도포하는 방법으로는, 스핀코팅, 딥코팅, 캐스팅 등의 방법을 이용할수 있고, 광전극의 두께는 10 내지 3000nm의 두께로 형성한다.
상술한 광전극 표면에 감광성 염료를 흡착시킨다.
상기 감광성 염료는 루테늄계 염료, N3, N719, 블랙다이(Blac dye) 등을 사용한다. 여기에서 N3은 RuL2 (NCS)2 (L=2,2'-bibyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)이고, N719는 RuL2(NCS)2]: 2 TBA (L=2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid, TBA=tetra-n-butylammonium)을 나타낸다.
상기 감광성 염료의 농도가 3 내지 7 mM인 용액을 제조하여 이산화티탄막을 침적시켜 염료를 흡착 시킨다. 이때 사용되는 용매로는 에탄올, 아이오프로판올, 아세토니트릴, 발레로니트릴이 사용된다.
이어서, 상기 감광성 염료가 흡착된 광전극과 제1전극에 대항되게 배치되도록 제2전극이 형성된 제2기판을 접합시키고, 여기에서 전해질을 주입하여 제1전극 과 제2전극 사이에 전해질을 존재하게 하여 염료감응 태양전지가 완성된다.
도 2은 본 발명의 다른 일구현예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 태양 전지는 제1 전극(11), 광전극(13) 및 염료(15)가 형성되는 제1 기판(10)과 제2 전극(21)이 형성되는 제2 기판(20)이 서로 대향 배치되고, 제1 전극(11)과 제2 전극(21) 사이에 전해질(30)이 위치하여 구성된다. 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 외측으로 별도의 케이스(도시하지 않음)가 배치될 수 있다. 이에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에서 제1 전극(11)을 지지하는 지지체 역할을 하는 제1 기판(10)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성된다. 이에 제1 기판(10)은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate, PET), 폴리 에틸렌 나프탈레이트(poly ethylene naphthalate, PEN), 폴리 카보네이트(poly carbonate, PC), 폴리 프로필렌(poly propylene, PP), 폴리 이미드(poly imide, PI), 트리 아세틸 셀룰로오스(tri acetyl cellulose, TAC) 등을 들 수 있다.
제1 기판(10)에 형성되는 제1 전극(11)은 인듐 주석 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 황 산화물, 불소 산화물 및 이들 혼합물중에서 선택된 하나 이상, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 제1 전극(11)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다.
제1 전극(11) 위에는 광전극(13)이 형성된다. 이러한 광전극(13)은 상술한 중형 다공성 이산화티탄 입자들(131)을 포함하며, 적절한 평균 기공 크기를 가짐에 따라, 전해질(30)의 이동을 용이하게 하면서 금속 산화물 입자들(131)의 네킹 특성을 향상시킬 수 있다.
광전극(13)은 10nm 내지 3000nm의 두께, 특히 10nm 내지 1000nm일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것이 아니며 상기 두께는 기술 발전 등에 의해 변화될 수 있음은 물론이다.
상기 광전극(13)의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(15)가 흡착된다.
이러한 화합물은 몰 흡광계수가 우수하고, 가시광선 영역에서의 광전효율이 개선되며, 제조단가가 저렴하여 고가의 무기 염료인 루테늄 염료를 대체할 수 있는 유기 염료이다.
한편, 제1 기판(10)에 대향 배치되는 제2 기판(20)은 제2 전극(21)을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로, 투명하게 형성될 수 있다. 상기 제2 기판(20)은 제1 기판(10)과 같이 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
제2 기판(20)에 형성되는 제2 전극(21)은 제1 전극(11)과 대향 배치되도록 형성되며, 투명 전극(21a)과 촉매 전극(21b)을 포함할 수 있다.
투명 전극(21a)은 인듐 틴 산화물, 프루오르 틴 산화물, 안티몬 주석 산화물, 아연 산화물, 틴 산화물, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 이 때 투명 전극(21a)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다. 촉매 전극(21b)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 팔라듐. 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 등으로 이루질 수 있다.
상기 제1 기판(10)과 제2 기판(20)은 접착제(41)에 의해 접합되고, 제2 기판(20)과 제2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)을 통해 전해질(30)이 주입되어 제1 전극(11)과 제2 전극(21) 사이에 본 발명의 일실시예에 따른 전해질(30)이 함침된다. 이러한 전해질(30)은 다공성막(13)의 내부로 균일하게 분산된다. 전해질(30)은 산화 환원에 의해 제2 전극(21)으로부터 전자를 받아 염료(15)에 전달하는 역할을 수행한다. 제2 기판(20) 및 제2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)은 접착제(42) 및 커버 글라스(43)에 의해 밀봉된다.
도 2에는 나타나 있지 않으나, 상기 제1전극(11)상부 그리고 상기 광전극(13) 하부에는 통상적인 다공질막인 금속 산화물막이 더 형성될 수 있다. 여기에서 상기 광전극(13)은 광산란 전극 역할과 다량의 염료흡착 능력을 보여줌으로써 기존 광산란 전극의 단점을 보완하여 염료감응 태양전지의 효율이 높아질 수 있게 한다.
삭제
상기 다공질막은 금속 산화물 입자로 구성되며, 이산화티탄(titanium oxide), 징크 산화물, 틴 산화물, 스트론튬 산화물(strontium oxide), 인듐 산화 물(indium oxide), 이리듐 산화물(iridium oxide), 란탄 산화물(lanthan oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 몰리브덴 산화물(molybdenum oxide), 텅스텐 산화물(tungsten oxide), 니오브 산화물(niobium oxide), 마그네슘 산화물(magnesium oxide), 알루미늄 산화물(aluminium oxide), 이트륨 산화물(yttrium oxide), 스칸듐 산화물(scandium oxide), 사마륨 산화물(samarium oxide), 갈륨 산화물(galluim oxide), 스트론튬 이산화티탄(strontium titanium oxide)등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 금속 산화물 입자들은 일구현예에 따르면, 이산화티탄인 TiO2, 주석 산화물인 SnO2, 텅스텐 산화물인 WO3, 아연 산화물 ZnO, 또는 이들의 복합체 등으로 이루어진다.
본 발명의 일구현예에 따른 광전극은 중형다공성 이산화티탄의 입경 크기에 따라 광산란이 유도되고 중형기공에 의한 다량의 염료 흡착 능력으로 광전류 밀도가 매우 증가되어 이를 채용한 염료감응 태양전지는 그 효율이 매우 향상된다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시에는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 중형다공성 이산화티탄의 합성
1) 중형다공성 실리카(OMS)의 합성 (실시예 1에서 사용된 MSU-H 합성 방법)
혼합물의 조성 몰비는 SiO2: NaOH :P123 : CH3COOH : H2O = 1 : 2.41 : 0.017 : 2.5 : 258 이다.
Ludox HS-40(Aldrich)과 NaOH, H2O를 이용하여 SiO2의 함량이 10 중량%가 되 면서 Na/Si의 비율이 2.5가 되도록 실리카 용액을 만들었다.
이와 별도로, 615.6 g의 H2O에 16.408 g의 P123를 상온에서 용해시킨 다음, 여기에 상기 과정에 따라 얻은 실리카 용액을 100 g을 넣고 10분간 교반하였다. 이와 같이 교반한 후 26.1 g 아세트산(99.8 %)을 100g의 물과 함께 혼합한 후 한꺼번에 반응 용기에 붓고 10 분 동안 교반한다. 10 분간 교반 후 318 K 항온조에 반응 용기를 넣고 24 시간 동안 교반 후 373 K 오븐에서 숙성을 실시하였다.
반응이 끝난 후 필터하여 얻은 중형다공성 실리카는 상온에서 서서히 건조하면 흰색 분말 시료를 얻을 수 있다. 시료 1 g당 HCl(35중량%) 2.5 g, 에탄올 100 g을 사용하여 반응 용기에 담아 교반해 주면서 약 2 시간 동안 세척을 실시하였다. 상기 결과물을 여과한 후 다시 353 K 오븐에서 건조 시킨 후 823 K 산소 분위기에서 소성처리하여 중형다공성 실리카인 MSU-H 1 를 합성하였다.
2) 다공성 이산화티탄 제조
티타늄 에톡사이드 3 g을 H2O 30 ml에 넣고 30 분간 교반한 후 4000 rpm으로 원심분리하면 흰색 침전물을 얻을 수 있었다.
위의 상층액을 조심히 따라 버리고 HCl 5.49 g을 넣은 후 이를 20 분간 교반하면 흰색 침전물이 투명하게 녹는다. 상기 결과물을 273 K 냉실에 1 시간 정도 넣어두었다.
상기 과정에서 제조된 MSU-H 1 g에 TiO2 전구체 용액을 마이크로 파이펫을 이용하여 0.8 ml을 넣고 기공안으로 들어가도록 잘 혼합하였다. 이어서, 433 K 오 븐에 10 분 동안 건조 시켰다. 이 과정을 반복적으로 실시하여 총 5 내지 15회 함침 한다. 함침이 끝난 후 373 K 오븐에 24 시간 보관 했다가 673 K 온도에서 3 시간 열처리를 실시하였다. 이때 승온 시간은 5 시간이다.
열처리가 끝나고, 1 M의 NaOH 250 g에 실리카와 TiO2 혼합 물질을 넣고 373 K까지 가열하면서 교반하였다.
373 K에서 5 분간 가열한 뒤 상온에서 식히고 필터를 실시하였다. 이와 같이 필터하여 얻은 분말을 데시케이터에 넣고 진공을 뽑아 주면서 수분을 완전히 제거하였다.
상기 과정에 따라 얻은 중형 다공성 이산화티탄의 비표면적은 약 153m2/g이고, 기공 간격은 약 4nm이고, 기공의 부피가 약 0.4cc/g이다.
도 3은 상기 제조예 1에 따라 얻은 중형다공성 이산화티탄의 전자현미경 사진이고, 도 4는 XRD 사진이다. 그리고 도 5는 기공 분포 크기 그래프이다,
도 3으로부터 상기 과정에 따라 얻은 중형 다공성 이산화티탄의 평균입경은 약 150 nm이다.
도 4로부터, 이산화티탄의 결정 형태가 아나타제임을 알 수 있었고, 도 5로부터 다공성 이산화티탄의 중형기공의 평균 직경이 약 5 nm 임을 알 수 있었다.
실시예 1: 염료감응 태양전지의 제조
제1전극의 ITO로 이루어진 전도성 필름 상에 일본 CCIC사에서 제조한 이산화티탄 페이스트를 이용하여 7~8 μm 두께의 1차 광전극을 형성 하였다. 이 CCIC사의 페이스트는 대략 15 nm 크기의 입자를 갖는 이산화티탄 입자가 15~20%의 중량부로 용매인 알파-테르피네올 등의 기타 첨가제와 함께 혼합 되어 있다.
상기 제조예 1에 따라 얻은 구형 중형다공성 이산화티탄 15 중량부, 바인더용 고분자인 하이드로프로필셀룰로오즈0.5 중량부, 질산 50% 중량부, 용매인 증류수 32 중량부를 혼합한 광전극 형성용 페이스트를 코팅 및 건조하고 이를 500℃에서 약 30분동안 열처리하여 1차 광전극 위에 약 4~5㎛ 두께의 광전극을 제작하였다.
이어서, 상기 결과물을 80℃에서 유지하고 이를 염료인 N719를 에탄올에 0.3 mM 농도로 용해한 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 수행하였다.
그 후 염료 흡착된 다공질막을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광전극이 적층된 제1전극을 제조하였다.
이와 별도로 상대전극용 기판으로 FTO가 코팅된 유리기판을 준비하였고, 상기 기판의 전도성면 쪽에 접착테이프를 이용하여 1.5 ㎠의 면적으로 마스킹한 후, 그 위에 H2PtCl6 용액을 스핀 코터로 코팅하였고, 500 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 상대전극인 제2 전극을 제조하였다.
앞서 제조한 광전극을 구비한 제1전극 함유 전도성 필름과 상대전극 사이의 공간에 LiI(0.5M) 및 I(0.05M)을 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 1: 직경 400nm 크기의 구형 이산화티탄 입자를 사용한 경우
제1전극의 ITO로 이루어진 전도성 필름 상에 일본 CCIC사에서 제조한 이산화티탄 페이스트를 이용하여 7~8 μm 두께의 1차 광전극을 형성하였다. 이 CCIC사의 페이스트는 대략 15 nm 크기의 입자를 갖는 이산화티탄 입자가 15~20%의 중량부로 용매인 알파-테르피네올과, 기타 첨가제와 함께 혼합되어 있다.
제1전극의 ITO로 이루어진 전도성 필름 상에 평균직경 400nm의 나노다공성 이산화티탄 입자 15~20 %, alpha-terpienol을 용매로 사용한 일본 CCIC사의 광전극 형성용 페이스트를 코팅 및 건조하고 이를 500℃에서 약 30분동안 열처리하여 1차 광전극 위에 약 4~5㎛ 두께의 광전극을 제작하였다.
이어서, 상기 결과물을 80℃에서 유지하고 이를 염료인 N719를 에탄올에 0.3 mM 농도로 용해하였다. 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 수행하였다.
그 후 염료 흡착된 다공질막을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광전극이 적층된 제1전극을 제조하였다.
이와 별도로 제2전극은, ITO로 이루어진 제1전도성 필름 위에 스퍼터를 이용하여 Pt로 이루어진 제2전도성 필름을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들었다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름 (Surlyn, DuPont, USA) 으로 이루어진 지지대를 다공질막이 형성된 제1전극과 제2전극 사이에 두고 100℃에서 9초 압착시킴으로서 두 전극을 접합시켰다. 그리고, 제2전극에 형성된 미세구멍을 통하여 제조 예 1의 전해질을 주입하고 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 밀봉하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 2: TiO
2
나노입자를 이용하여 1층 전극만 제조한 태양전지
제1전극의 ITO로 이루어진 전도성 필름 상에 일본 CCIC사에서 제조한 이산화티탄 페이스트를 이용하여 7~8 μm 두께의 1차 광전극을 형성 하였다. 이 CCIC사의 페이스트는 대략 15 nm 크기의 입자를 갖는 이산화티탄 입자가 15~20%의 중량부로 용매인 알파-테르피네올 등 다른 첨가제와 함께 혼합 되어있는 것으로 알려져 있다.
이어서, 상기 결과물을 80℃에서 유지하고 이를 염료인 N719를 에탄올에 0.3 mM 농도로 용해한 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 수행하였다.
그 후 염료 흡착된 다공질막을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광전극이 적층된 제1전극을 제조하였다.
이와 별도로 제2전극은, ITO로 이루어진 제1전도성 필름 위에 스퍼터를 이용하여 Pt로 이루어진 제2전도성 필름을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들었다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름 (Surlyn, DuPont, USA) 으로 이루어진 지지대를 다공질막이 형성된 제1전극과 제2전극 사이에 두고 100℃에서 9초 압착시킴으로서 두 전극을 접합시켰다. 그리고, 제2전극에 형성된 미세구멍을 통하여 제조 예 1의 전해질을 주입하고 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 밀봉하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
상기 비교예 1의 경우에는 1차 전극위에 400 nm 크기의 이산화티탄 입자로 구성된 2층이 올라가 있는 형태이고 비교예 2의 경우는 2층 막이 없는 구조이다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 있어서, 1 sun, AM 1.5 빛을 조사한 조건과 빛을 조사하지 않은 다크(dark) 조건에서 전류-전압 특성을 측정하였고, 그 결과는 도 6에 나타내었다. 도 6에서 MeTi는 실시예 1에 대한 것이고, ref는 비교예 1에 대한 것이다. 여기에서 "1sun"은 태양 1개와 동등한 광원의 세기를 나타내고 "AM1.5"는 태양광과 파장을 맞추어 주는 필터를 나타낸다.
도 6을 참조하여, 실시예 1의 염료감응 태양전지는 비교예 1의 경우에 비하여 광전류밀도가 증가한다는 것을 알 수 있었고, 이러한 결과는 하기 표 1에서도 확인가능하다. 이와 같이 광전류밀도가 증가하는 것은 높은 염료흡착량에서 기인된다 (도 7).
도 7은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예2에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 있어서, 염료 흡착 UV-Visible 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 7에서는 MeTiS는 실시예 1에 대한 것이고, CCIC SL은 비교예 1에 대한 것이고, CCIC 1st는 비교예 2에 대한 것이다.
도 8은 실시예 1, 비교예 1-2에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 있어서, 광전변환효율(Incident-photon-to-current efficiency: IPCE)을 조사한 것이다.
도 7 및 도 8을 참조하여, Incident-photon-to-current efficiency (IPCE, 도 8)은 중형다공성 TiO2 입자를 이용한 전극이 광 산란 효과가 있음을 보여 주고 있다. 560~650nm 사이에서 일반적인 400nm 의 스캐터링(scattering layer) 효과에 의한 입사광(incident)은 조금 낮지만 도 8에서 보여지듯 염료흡착량에 의한 전류밀도 효과와 더불어 스캐터링 (scattering) 효과를 관찰 할 수 있었다.
삭제
특히 도 8을 참조하면, 실시예 1의 염료감응 태양전지는 비교예 1 및 2의 경우와 비교하여 이산화티탄 입자를 이용한 전극이 광 산란 효과가 있음을 보여주고 있다. 이 결과 메조포러스 입자 제조에 의한 paste 형성으로 염료흡착에 의한 광전류 밀도 및 스캐터링(Scattering) 효과에 의한 IPCE증가의 양 효과를 얻을 수 있다.
상기 실시예 1 및 비교예 1-2에 다른 염료 감응 태양전지에 대하여 광전류전압을 측정하고 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압, 전류밀도 및 충진계수를 계산하고 이로부터 태양전지의 효율을 평가하여 하기 표1에 나타내었다. 여기에서 광원으로는 제논 램프를 사용하였고, 상기 제논 램프의 태양조건은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysysteme, Certificate No. C-ISE369, Type ofmaterial: Mono-Si+KG 필터)를 사용하여 보정하였고, 전력밀도100mW/cm2에서 측정하였다.
하기 표 1의 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency), 충진계수(fill factor) 및 염료 흡착량의 측정 조건은 다음과 같다.
(1) 개방전압(V) 및 광전류밀도(㎃/㎠)
: 개방전압과 광전류 밀도는 Keithley SMU2400 을 이용하여 측정하였다.
(2) 에너지 변환효율(%) 및 충진계수(%)
: 에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100 mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프
[300W, Oriel], AM1.5 filter, 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하였고, 충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 하기 계산식을 이용하여 계산하였다.
[계 산식]
상기 계산식에서, J는 변환효율 곡선의 Y축값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc 및 Voc는 각 축의 절편값이다.
또한, 염료감응 태양전지에 대해 100 mW/㎠ 제논램프를 광원으로 하여 전류-전압 특성을 분석하였다.
(4) 염료 흡착량
이산화티탄 전극을 80℃에서 유지하고 이를 염료인 N719를 에탄올에 0.3 mM 농도로 용해한 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 수행 후 이산화티탄 전극 막에 침적된 염료를 1M NaOH 용액에 다시 녹여 내어 UV-visible 흡광도를 측정하여 흡착량을 비교 하였다.
[표 1]
| 구분 | 전류밀도(Jsc) (mAcm-2) |
개방전압 (Voc) (V) |
충진계수(FF) | 효율 η(%) | 염료 흡착량 (×10-8 molcm-2) |
| 실시예1 | 16.2 | 0.76 | 69 | 8.62 | 5.384 |
| 비교예1 | 14.1 | 0.78 | 76 | 8.41 | 4.356 |
| 비교예 2 | 10.7 | 0.78 | 77 | 6.4 | 4.233 |
상기 표 1로부터 실시예 1의 경우 비교예 1 및 2와 비교하여 염료의 흡착량이 증가하고, 염료감응 태양전지의 효율도 우수하다는 것을 알 수 있었다.
상기에서 본 발명의 바람직한 제조예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 중형다공성 이산화티탄의 형성과정을
모식적으로 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 3은 제조예 1에 따라 제조된 중형다공성 이산화티탄의 전자현미경 사진이고,
도 4는 제조예 1에 따라 제조된 중형다공성 이산화티탄의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 5는 제조예 1에 따라 제조된 중형다공성 이산화티탄의 기공 분포 그래프이고,
도 6은 실시예 1에 따른 염료감응 태양전지의 I-V 곡선이고,
도 7은 실시예 1, 비교예 1에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 광전극에서 염료 흡착 UV-Visible 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 8은 실시예 1, 비교예 1-2에 따른 염료감응 태양전지에 있어서, 광전환 변환 효율 그래프를 나타낸 것이다.
Claims (18)
- 평균입경이 100 내지 2000 nm, 비표면적이 150 내지 300m2/g이며, 중형기공을 갖고 있는 구조화된 중형다공성 이산화티탄 입자와, 상기 이산화티탄 입자의 표면에 감광성 염료를 포함하며,상기 구조화된 중형다공성 이산화티탄 입자는, CuK-알파 특성 X-선 파장 1.541Å에 대한 브래그 2θ각의 주 피크가 0.8~1.2도, 1.5~3도 및 25~30도 사이에서 하나 이상 나타나며,상기 중형다공성 이산화티탄 입자의 기공 간격이 4 내지 15 nm인 염료감응 태양전지용 광전극.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 중형다공성 이산화티탄에서 중형 기공의 평균 직경이 2 내지 7nm이고 중형기공의 기공 부피가 0.3~0.8cc/g인 염료감응 태양전지용 광전극.
- 삭제
- 구조화된 중형다공성 이산화티탄 입자, 바인더용 고분자, 산 및 용매를 혼합하여 광전극 형성용 조성물을 준비하는 단계; 및상기 광전극 형성용 조성물을 기재상에 코팅한 후, 이를 열처리하는 단계를 포함하며,상기 구조화된 중형다공성 이산화티탄 입자는,이산화티탄 전구체, 산 및 용매를 혼합하여 이산화티탄 전구체 혼합물을 얻는 단계;상기 이산화티탄 전구체 혼합물을 중형 다공성 실리카에 함침시키고, 이를 건조 및 열처리하는 단계; 및상기 열처리된 결과물로부터 중형다공성 실리카를 제거하는 단계를 거쳐 형성되는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 바인더용 고분자의 함량이 중형 다공성 이산화티탄 입자 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 50 중량부인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 산의 함량이 중형 다공성 이산화티탄 입자 100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 300 중량부인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 광전극 형성용 조성물을 기재상에 코팅한 후, 열처리가 400 내지 550℃에서 실시되는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 삭제
- 제5항에 있어서, 상기 이산화티탄 전구체는티타늄 에톡사이드, 티타늄 이소프로폭사이드, 티타늄 클로라이드 및 티타늄 메톡사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 이산화티탄 전구체 혼합물에서 산의 함량은 중형 다공성 실리카 100 중량부에 대하여 30 내지 300 중량부인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 이산화티탄 전구체의 중량은 중형 다공성 실리카100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 120 중량부인 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 건조가 80 내지 160℃에서 이루어지는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 이산화티탄 전구체 혼합물을 중형 다공성 실리카에 함침시키고 이를 건조 및 열처리하는 단계에서의 열처리가,400 내지 550℃에서 이루어지는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 중형 실리카 제거시 수산화나트륨 수용액을 이용하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1전극;상기 제1전극의 일면에 형성되는 제1항 또는 제3항의 광전극;상기 광전극이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극; 및상기 제1전극과 제2전극 사이에 개재된 전해질;을 구비하는 염료감응 태양전지.
- 제16항에 있어서, 상기 제1전극과 광전극 사이에 금속 산화물을 포함하는 다공질막이 더 포함되는 염료감응 태양전지.
- 제17항에 있어서, 상기 금속 산화물이,이산화티탄, 지르코늄 산화물, 스트론튬 산화물, 아연 산화물, 란탄 산화물, 바나듐 산화물, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 니오븀 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 이트륨 산화물, 스탄듐 산화물, 사마륨 산화물, 갈륨 산화물 및 스트론튬이산화티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 염료감응 태양전지.
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|---|---|---|---|---|
| KR101321693B1 (ko) | 2012-01-26 | 2013-11-07 | 한국에너지기술연구원 | 염료감응 태양전지 전극 페이스트의 제조방법, 그 페이스트, 그 페이스트를 이용한 전극의 제조방법, 그 전극 및 그 전극을 포함하는 염료감응 태양전지 |
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Families Citing this family (6)
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|---|---|---|---|---|
| KR101021567B1 (ko) * | 2009-05-25 | 2011-03-16 | 성균관대학교산학협력단 | 광촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 휘발성 유기물의 분해 방법 |
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| CN112080118B (zh) * | 2020-09-29 | 2022-09-09 | 中星中大印刷（深圳）有限公司 | 一种可降解聚乳酸塑料 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100751350B1 (ko) | 2005-11-29 | 2007-08-22 | 삼성에스디아이 주식회사 | 헤테로원자 함유 중형 다공성 탄소, 그 제조방법 및 이를이용한 연료전지 |
Family Cites Families (6)
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|---|---|---|---|---|
| US7511217B1 (en) * | 2003-04-19 | 2009-03-31 | Nanosolar, Inc. | Inter facial architecture for nanostructured optoelectronic devices |
| KR101056440B1 (ko) * | 2003-09-26 | 2011-08-11 | 삼성에스디아이 주식회사 | 염료감응 태양전지 |
| JP2006069877A (ja) * | 2004-09-06 | 2006-03-16 | Marukatsu Sangyo Kk | メソポーラスチタニア |
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| KR101137367B1 (ko) * | 2005-01-20 | 2012-04-20 | 삼성전자주식회사 | 표면이 개질된 반도체 전극, 염료 감응 광 전지, 태양전지 및 그 제조 방법, 제조에 사용되는 고분자 조성물 |
| KR100958920B1 (ko) * | 2008-10-08 | 2010-05-19 | 한국과학기술연구원 | 금속산화물 나노볼층을 구비한 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 |
-
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-
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100751350B1 (ko) | 2005-11-29 | 2007-08-22 | 삼성에스디아이 주식회사 | 헤테로원자 함유 중형 다공성 탄소, 그 제조방법 및 이를이용한 연료전지 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101321693B1 (ko) | 2012-01-26 | 2013-11-07 | 한국에너지기술연구원 | 염료감응 태양전지 전극 페이스트의 제조방법, 그 페이스트, 그 페이스트를 이용한 전극의 제조방법, 그 전극 및 그 전극을 포함하는 염료감응 태양전지 |
| KR101738228B1 (ko) * | 2015-02-09 | 2017-05-23 | 포항공과대학교 산학협력단 | 티타늄-니오비늄 메조 포러스 산화물 및 그 제조 방법 |
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