KR101088122B1 - 염료감응형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

태양전지는 투명 전극, 반도체막, 형광체 층, 전해질층 및 반대전극을 포함한다. 반도체막은 투명 전극 상에 형성되고 염료가 코팅되어 있다. 형광체 층은 반도체막 상의 제1면에 형성되어 입사된 광의 파장을 변환시키고 산란시켜 반도체 막으로 입사된 광을 재입사시키며 평균 직경은 500nm보다 크고 2000nm이하이다. 전해질층은 제1면을 마주보는 반도체막의 제2면 상에 형성된다. 전해질층 상에 반대전극이 형성된다.

Description

염료감응형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 제조방법{DYE SENSITIZED SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING A DYE SENSITIZED SOLAR CELL}

본 발명은 염료감응형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 입사광을 분산시키고 파장을 변환시키는 막을 구비한 염료감응형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

염료감응 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자를 여기하는 염료, 전해질, 투명 전극, 다공성 막 등을 포함하며 자연상태의 광합성 원리를 응용하는 전지이다.

도 1은 종래의 염료감응 태양전지의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다. 염료감응 태양전지의 음극은 유리기판(1)상에 형성된 투명 도전막(2)과 이산화티탄과 같은 산화물 반도체 나노 입자로 이루어진 산화물 반도체막(3)으로 구성된다. 산화물 반도체막(3)상에는 염료 고분자(4)가 흡착 등의 방법으로 제공된다. 상기 염료 감응 태양 전지의 반대전극(상대전극 또는 대향전극;(5))으로는 통상적으로 백금과 같은 물질이 사용되며 유리기판상에 제공된다. 음극과 상대전극이 합착된 사이에는 전해질(6)이 제공된다.

염료에 의한 광전현상에 관해서는 1887년 비엔나 대학의 모세르(Moser) 박사 에 의해 보고된 이후 꾸준히 연구되어 왔으며, 현재는 1993년 에콜 폴리테크 페데랄(Ecole Polytechnique Federale)의 그라첼(Gratzel) 교수의 연구팀에 의해 보고된 Ru계 염료와 I^-/I₃ ^- 전해질을 사용한 10 % 대의 최고 효율을 지닌 통칭 그라첼(Gratzel) 전지가 주로 연구되고 있다.

도 2는 일반적인 염료감응 태양전지의 개략적인 구동 원리를 나타낸 도면이다. 염료감응 태양전지의 작동원리는 다음과 같다. 태양광이 전지에 입사하여 염료를 여기 시켜서 전자-홀 쌍을 형성하고, 생성된 전자가 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 주입된 전자는 반도체 산화물을 지나 투명 전도성막으로 이동하여 외부로 나가게 된다. 외부에 전기에너지를 전달한 전자는 상대전극에서 전해질의 산화/환원 반응에 의해 염료고분자의 홀과 결합하게 된다. 입사된 태양광 에너지는 염료의 낮은 에너지 준위에 있는 전자를 여기 시키는데, 이때 흡수되는 태양광의 양은 파장에 따라서 다르다. 현재 염료감응형 태양전지에 쓰이는 염료 중 가장 높은 에너지 변환효율을 보이는 Ru 계 염료 고분자에 있어서, 염료감응형 태양전지의 광전 변환은 가시광 영역(400~700 nm)에서 주로 이루어지고, 그 중 500~600 nm 구간에서 광전 변환 효율이 극대화 된다.

따라서, 염료감응형 태양전지에 입사되는 광의 파장 및 입사량이 염료감응형 태양전지의 효율에 큰 영향을 준다.

본 발명의 일 목적은 입사광을 분산시키고 파장을 변환시키는 막을 구비한 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적은 입사광을 분산시키고 파장을 변환시키는 막을 구비한 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지가 제공된다. 태양전지는 투명 전극, 반도체막, 형광체 층, 전해질층 및 반대전극을 포함한다. 반도체막은 투명 전극 상에 형성되고 염료가 코팅되어 있다. 형광체 층은 상기 반도체막 상의 제1면에 형성되어 입사된 광의 파장을 변환시키고 산란시켜 반도체 막으로 입사된 광을 재입사시키며 평균 직경이 500nm보다 크고2000nm이하이다. 전해질층은 상기 제1면을 마주보는 반도체막의 제2면 상에 형성된다. 상기 전해질층 상에 반대전극이 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 형광체는 투명 전극을 통해 투과할 수 있는 320nm 이상의 여기 파장을 가지며, 400nm 이상 900nm이하의 발광 파장을 가지는 것으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법이 제공된다. 투명 기판에 반도체막을 형성한다. 상기 반도체막 표면에 염료를 흡착시킨다. 상기 염료가 흡착된 반도체막의 제1면에 입사된 광의 파장을 변환시키고 산란시켜 반도체 막으로 입사된 광을 재입사시키는 평균 직경이 500nm보다 크고 2000nm이하의 형광체 층을 형성한다. 상기 제1면과 마주보는 반도체막의 제2면에 반대 전극을 형성한다. 상기 반대 전극 및 제2면 사이에 전해질을 주입한다.

본 발명에 의하면, 입사되는 광을 산란하여 반도체막으로 재입사 시킬 뿐 아니라, 변환 효율이 좋은 영역대의 파장으로 변환하는 것에 의해 염료감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또 는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 대상체, 기판, 각 층(막), 영역, 전극 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 대상체나 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 "제1", "제2" 및/또는 "예비"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2" 및/또는 "예비"는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체막의 단면도이다.

도3을 참조하면, 반도체막(20)의 제1 면으로 태양광(10)이 입사하고, 제1면과 마주보는 제2면에는 형광체(30)가 형성된다. 도시되지는 않았지만, 반도체막(20)은 다공성막일 수 있고, 반도체막(20)에 고분자 염료물질이 코팅되어 있을 수 있다. 또한, 반도체막(20)은 투명 도전막(2)과 이산화티탄, 산화 아연(ZnO), 산화 니오븀(Nb₂O₅), 산화 주석(SnO₂) 또는 티탄산 스트론튬(SrTiO₃)과 같은 산화물 반도체 나노 입자로 이루어진 산화물을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 형광체(30)는 고분자 염료물질이 코팅된 반도체막(20)에 코팅되어 있을 수 있다. 상기 고분자 염료물질은 루테늄(ruthenium) 착체 또는 키산텐계인 것이 바람직하다.

형광체(30)는 투명 전극을 통해 투과할 수 있는 320nm 이상의 여기 파장을 가지며, 400nm 이상 900nm이하의 발광 파장을 가지는 것으로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 발광 파장보다 장파장의 여기파장을 가지는 업컨벌전(up-conversion) 물질도 상기 형광체에 포함될 수 있다.

예를 들어, 형광체(30)는 란탄계열 물질로서 희토류 금속 이온 (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) 또는 Mn, Sn, V 으로부터 선택되는 1종 이상을 Y₃Al₅O₁₂, Tb₃Al₅O₁₂, Sr₃MgSi₂O₈, (Ba,Sr)₂SiO₄, LiSrPO₄, ZnAl₂O₄ 으로부터 선택되는 1종 이상의 모체에 첨가하여 얻어질 수 있고, 또는 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Mn, Sn 및 V 로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 유기 형광 물질일 수 있다. 그러나 이러한 예에 의해 형광체(30)가 한정되는 것은 아니며, 투명 전극을 통해 투과할 수 있는 320nm 이상의 여기 파장을 가지며, 400nm 이상 900nm이하의 발광 파장을 가지는 물질은 형광체(30)로 사용될 수 있다.

형광체(30)는 반도체막(20)의 제1면을 통해 입사하여 반도체막(20)을 투과하는 광을 산란(scatter)시키고 광의 파장을 변환시킨다. 반도체막(20)을 투과하는 광이 형광체(30)에 의해 산란되어 일부가 반도체막(20)으로 재입사하게된다. 따라서 반도체막(20)은 재입사된 광을 이용하여 염료를 여기시킬수 있다.

형광체(30)의 평균 직경이 작은 경우, 충분한 산란이 이루어지지 않을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 형광체(30)는 평균 직경이 500nm보다 클 수 있다. 형광체(30)의 평균 직경이 480nm이하인 경우 보다, 평균 직경이 증가할수록 형광체(30)의 발광특성이 좋기 때문이다.

도 4는 형광체(30)의 여기파장 및 발광파장과 그에 따른 세기를 나타낸 도면이다. "I"는 형광체의 여기파장을 나타내고 "II"는 형광체의 발광파장을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 형광체(30)에 의해 반도체막(20)을 투과한 입사광(10)은 500nm에서 700nm의 범위의 파장을 갖는 광으로 변환될 수 있다. 예를 들어, 300nm 에서 370nm의 범위를 갖거나 400nm에서 500nm의 범위의 파장을 갖는 입사광은 500nm에서 700nm의 범위의 파장을 갖는 광으로 변환될 수 있다. 즉 형광체(30)에 의해 입사광(10)은 파장이 변환되고 산란되어 반도체막(20)으로 재입사될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 형광체(30)를 반도체막(20) 상에 균일하게 형성되도록 하고, 형성되는 형광체층(30)의 두께 제어가 용이하도록 한다. 또한 입사광(10)의 산란이 충분하게 발생하게 한다. 이렇게 하기 위한 형광체(30)의 평균 직경은 500nm보다 크고 2000nm이하일 수 있다.

Ru 계 염료를 사용하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 500nm에서 900nm의 범위의 파장을 갖는 광을 사용하는 경우 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 형광체를 구비하는 반도체막을 염료감응형 태양전지에 적용하는 경우, 입사광의 산란 및 파장 변환을 통해 염료감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.

상기 형광체(30)가 코팅된 반도체막(20)을 이용하여, 도 1에 설명된 것과 실질적으로 동일한 구조의 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 이러한 염료감응형 태양전지를 제작하는 방법은 통상적인 방법을 따랐다.

이하, 본 발명의 실험예를 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실험예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실험예에 한정되는 것은 아니다.

실험예 1

본 발명에 따른 염료감응형 태양전지를 다음과 같이 제조 하였다. 염료감응형 태양전지에 적용할 형광물질인 YAG:Ce 산화물 형광체를 합성하였다. 산화물 형광체는 고상법, 액상법 등 다양한 방법으로 합성할 수 있으며, 본 실시예에서는 고상법을 사용하였다.

유리기판에 형성된 FTO (fluorine-doped tin oxide) 투명 전극 위에 이산화티탄 나노입자 전구체를 스크린 프린팅 기법으로 도포하였다. 상기 도포된 전구체 및 투명 전극을 약 450℃의 온도에서 상기 전구체를 1시간 동안 열처리하였다. 열처리 후 상기 전구체를 서냉시켰다. 염료에 상기 전구체를 담가 오븐에서 2시간동안 흡착시켜서 투명 전극을 제조하였다. 염료는 루세늄을 사용하였다. 그 위에 에탄올을 용매로 하는 산화물 형광체 용액을 코팅하여 형광체가 적용된 투명 전극을 제조하였다.

비교예 1

유리기판에 형성된 FTO (fluorine-doped tin oxide) 투명 전극 위에 이산화티탄 나노입자 전구체를 스크린 프린팅 기법으로 도포하였다. 상기 도포된 전구체 및 투명 전극을 약 450℃의 온도에서 상기 전구체를 1시간 동안 열처리하였다. 열처리 후 상기 전구체를 서냉시켰다. 염료에 상기 전구체를 담가 60^oC의 온도로 오븐에서 2시간동안 흡착시켜서 투명 전극을 제조하였다. 투명 전극에는 어떠한 물질도 코팅하지 않았다.

비교예 2

형광 특성이 없는 YAG 파우더를 고상법으로 제조하였다. 유리기판에 형성된 FTO (fluorine-doped tin oxide) 투명 전극 위에 이산화티탄 나노입자 전구체를 스크린 프린팅 기법으로 도포하였다. 상기 도포된 전구체 및 투명 전극을 약 450℃의 온도에서 상기 전구체를 1시간 동안 열처리하였다. 열처리 후 상기 전구체를 서냉시켰다. 염료에 상기 전구체를 담가 오븐에서 2시간동안 흡착시켜서 투명 전극을 제조하였다. 투명 전극에 형광 특성이 없는 YAG 파우더를 코팅하였다.

실험예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조한 투명전극을 이용하여 도 1에 도시된 염료감응형 태양전지를 제조하여 단락 전류, 충밀도 및 효율을 측정하여 표 1에 나타내었다. 보다 자세하게, 상기 투명 전극에 반대전극을 형성하였다. 반대전극은 투명 유리에 FTO 처리되어 있는 기판에 전해질 주입을 위한 두 개의 미세구멍을 만들고 백금졸을 스핀 코팅을 이용하여 박막 형태로 코팅한 후 450^oC 로 1시간 동안 전기로에서 열처리 하여 형성되었다. 투명전극과 반대전극 사이에 접착필름을 놓고 열을 가해 밀봉 시킨 후 반대전극의 미세 구멍을 통해 전해질을 주입한 다음 구멍을 밀봉하여 파장 변환 형광체가 적용된 염료감응형 태양전지를 완성시켰다.

표 1

구 분	단락전류 (mA/cm2)	충밀도	효율 (%)
비교예1	9.30	0.67	4.2
비교예2	8.74	0.67	4.1
실험예 1	9.96	0.67	4.5

표 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체를 코팅한 반도체막을 염료감응형 태양전지에 응용한 실험예 1의 경우 비교예 1 및 2에 비해 충밀도는 동일하나 보다 뛰어난 단락 전류 및 효율을 보여주고 있다. 단락 전류가 높다는 것은 동일한 입사광을 받고 높은 전류를 방출한다는 것을 의미한다. 또한 에너지 변환 효율도 뛰어났다.

도 5는 실험예 1의 경우 비교예 1 및 2에 따른 반도체막을 적용한 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다. "III"는 실험예 1, "IV"는 비교예 1, "V"는 비교예 2를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 형광체를 코팅한 반도체막을 염료감응형 태양전지에 응용한 실험예 1의 경우 비교예 1 및 2에 비해 충밀도는 동일하나, 보다 뛰어난 단락 전류를 나타내고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명을 적용하여 형광체를 반도체막의 일면에 형성한다. 상기 일면은 입사광이 입사하는 면과 마주본다. 이에 따라 에너지 효율이 향상된 염료감응형 태양전지 및 이를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 염료감응 태양전지의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 일반적인 염료감응 태양전지의 개략적인 구동 원리를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체막의 단면도이다.

도 4는 반도체막을 투과한 입사광의 파장 및 형광체에 의해 파장이 변환된 광의 파장에 따른 광의 세기를 나타낸 도면이다.

도 5는 실험예 1의 경우 비교예 1 및 2에 따른 반도체막을 적용한 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 입사광

20: 반도체막

30: 형광체

Claims (4)

1. 투명 전극;

   상기 투명 전극 상에 형성되고 염료가 코팅된 반도체막;

   상기 반도체막 상의 제1면에 형성되어 입사된 광의 파장을 변환시키고 산란시켜 상기 반도체막으로 입사된 광을 재입사시키며 평균 직경 500nm보다 크고 2000nm이하의 형광체 층;

   상기 제1면을 마주보는 상기 반도체막의 제2면 상에 형성된 전해질층; 및

   상기 전해질층 상에 형성된 반대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 형광체는 투명 전극을 통해 투과할 수 있는 320nm 이상의 여기 파장을 갖고 400nm 이상 900nm이하의 발광 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
3. 투명 기판에 반도체막을 형성하는 단계;

   상기 반도체막 표면에 염료를 흡착하는 단계;

   상기 염료가 흡착된 반도체막의 제1면에 입사된 광의 파장을 변환시키고 산란시켜 상기 반도체막으로 입사된 광을 재입사시키는 평균 직경이 500nm보다 크고 2000nm이하의 형광체 층을 형성시키는 단계;

   상기 제1면과 마주보는 제2면에 반대 전극을 형성하는 단계;

   상기 반대 전극 및 제2면 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 형광체는 투명 전극을 통해 투과할 수 있는 320nm 이상의 여기 파장을 가지며, 400nm 이상 700nm이하의 발광 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.

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