KR101096151B1 - 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전면 투명 기판 상에 광감응 염료가 흡착되는 TiO2 광전극층을 형성한 후, TiO2 광전극층 상에 전해질이 통과하는 다공질 금속 전극층을 형성하는 염료감응 태양전지의 제조 방법은, TiO2 광전극층은 전면 투명 기판 보다 좁은 면적으로 도포한 후 열처리하여 형성하며, 다공질 금속 전극층은, TiO2 광전극층이 형성된 전면 투명 기판을 챔버 내에서 평행하게 설치한 후 금속 전극재를 이빔 증착(electron beam evaporation)법으로 증착하는 단계와, 금속 전극재가 증착된 전면 투명 기판을 챔버 내에서 예각으로 기울여서 설치한 후 금속 전극재를 이빔 증착법으로 증착하는 단계를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법은 제조 비용을 절감하고 제조 공정을 간단히 할 수 있고, TiO2 광전극층에 광감응 염료 흡착 및 전해질의 통과를 용이하게 하며 정상적인 염료감응 태양전지 구동이 가능한 효과가 있다.

Description

염료감응 태양전지 및 그 제조 방법{dye-sensitized solar cell and method for manufacturing thereof}
본 발명은 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
화석연료는 현재까지 풍부한 매장량과 낮은 가격으로 인류의 주 에너지원으로 사용되어져 왔다. 그러나 그 매장량이 한계를 보이고 있고, 화석연료의 연소 시 배출되는 이산화탄소와 아황산가스 등은 환경 오염의 주범이 되고 있는 실정이다. 이러한 문제를 극복하기 위해 친환경 신재생 에너지원의 개발이 중요시 되고 있으며, 태양에너지를 이용한 태양전지는 갈수록 그 중요성이 더해지고 있다.
최근, 많은 종류의 태양전지 중 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell)가 제조 단가가 저렴하고, 제조 공정이 간단하며, 다양한 응용 가능성을 가지고 있어 세계적으로 관심을 받고 있다. 종래의 염료감응 태양전지는 한 쌍의 투명 기판과, 투명 기판 각각에 형성되는 투명 전도층(TCO, Transparent Conducting Oxide)과, TiO2 광전극층과, 광감응 염료와, 전해질과, 금속박막 촉매전극층으로 구성된다.
투명전도성 기판은 태양빛을 쉽게 통과시키며, 내부에서 발생된 전기에너지를 외부 회로로 이동시키기 위한 투명 전도층으로 FTO(F:SnO2), ITO(indium tin oxide) 등이 사용되고 있다. 그러나 투명 전도층이 차지하는 가격 비중이 전체 재료비의 45% 정도를 차지하는 문제점이 있어 대체 구조 및 재료에 대한 개발이 시급한 상황이다.
이에 따라, 투명 전도층이 없는 염료감응 태양전지가 현재 개발 중이며, 그 중 하나의 구조가 TiO2 광전극층 뒤쪽에 금속 전극층을 형성하는 것이다. 하지만, 금속 전극층을 형성하는 경우 박막이 치밀하게 형성되기 때문에, 금속 전극층 형성 후 TiO2 광전극층에 광감응 염료 흡착 및 전해질의 통과를 어렵게 하며 정상적인 염료감응 태양전지 구동이 어렵게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 제조 비용을 절감하고 제조 공정을 간단히 할 수 있고, TiO2 광전극층에 광감응 염료 흡착 및 전해질의 통과를 용이하게 하며 정상적인 염료감응 태양전지 구동이 가능한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 전면 투명 기판 상에 광감응 염료가 흡착되는 TiO2 광전극층을 형성한 후, TiO2 광전극층 상에 전해질이 통과하는 다공질 금속 전극층을 형성하는 염료감응 태양전지의 제조 방법은, TiO2 광전극층은 전면 투명 기판 보다 좁은 면적으로 도포한 후 열처리하여 형성하며, 다공질 금속 전극층은, TiO2 광전극층이 형성된 전면 투명 기판을 챔버 내에서 평행하게 설치한 후 금속 전극재를 이빔 증착(electron beam evaporation)법으로 증착하는 단계와, 금속 전극재가 증착된 전면 투명 기판을 챔버 내에서 예각으로 기울여서 설치한 후 금속 전극재를 이빔 증착법으로 증착하는 단계를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 금속 전극재는 Ti, Al, Ag 또는 Cu 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 TiO2 광전극층과 전면 투명 기판이 이루는 전면 측면의 단차 부분에 금속 전극재가 증착되도록 기울이는 방향을 달리하며 증착하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다공질 금속 전극층은 TiO2 광전극층 보다 두께를 얇게 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법은, 다공질 금속 전극층을 형성한 후, TiO2 광전극층 내에 광감응 염료를 흡착시키는 단계; 전면 투명 기판과 쌍을 이루는 후면 투명 기판 상에 투명 전도층을 형성하는 단계; 투명 전도층 상에 금속박막 촉매전극층을 형성하는 단계; 전면 투명 기판과 후면 투명 기판 사이에 간격을 형성하여 밀봉하는 스페이서를 형성하는 단계; 및 간격 사이에서 전해질을 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 다른 제조 방법은, 다공질 금속 전극층을 형성한 후, TiO2 광전극층 내에 광감응 염료를 흡착시키는 단계; 전면 투명 기판과 쌍을 이루는 후면 투명 기판 상에 금속 전극재와 동일한 재질로 금속 전극층을 형성하는 단계; 금속 전극층 상에 금속박막 촉매전극층을 형성하는 단계; 전면 투명 기판과 후면 투명 기판 사이에 간격을 형성하여 밀봉하는 스페이서를 형성하는 단계; 및 간격 사이에서 전해질을 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 상술한 염료감응 태양전지의 제조 방법으로 제조된다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법은 제조 비용을 절감하고 제조 공정을 간단히 할 수 있고, TiO2 광전극층에 광감응 염료 흡착 및 전해질의 통과를 용이하게 하며 정상적인 염료감응 태양전지 구동이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지는 투명 기판(111, 112), TiO2 광전극층(120), 다공질 금속 전극층(130), 투명 전도층(140), 금속박막 촉매전극층(150), 스페이서(160), 전해질(170)을 포함한다.
투명 기판(111, 112)은 전면 투명 기판(111)과 후면 투명 기판(112)으로 구성되어, 염료감응 태양전지의 최외각면을 이룬다. 투명 기판(111, 112)은 상기의 구성 요소들을 형성하기 위한 토대를 이루며, 외부의 태양광을 염료감응 태양전지 내부로 투과하기 위하여 글라스(glass) 재질 또는 고분자 수지 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
TiO2 광전극층(120)은 전면 투명 기판(111) 상에 전면 투명 기판(111) 보다 좁은 면적으로 형성된다. 아울러, TiO2 광전극층(120)의 외각에는 스페이서(160)에 의해 밀봉되므로, TiO2 광전극층(120)은 도 1과 같이 염료감응 태양전지의 셀 내에만 위치하게 된다. TiO2 광전극층(120)은 다량의 광감응 염료를 흡착시키며 전해질과의 전기화학 반응을 원활히 하기 위해, 나노 다공질 구조를 이루어 그 표면적을 증가시킨다.
다공질 금속 전극층(130)은 TiO2 광전극층(120) 상에 형성되며 전해질(170)을 원활하게 통과시키기 위해 다공질 구조를 이루며, 전면 투명 기판(111) 상의 테두리 부분에 형성되어 외부로 노출됨에 따라, TiO2 광전극층(120)으로부터 전자를 수집하여 외부로 출력한다. 다공질 금속 전극층(130)은 종래의 전면의 투명 전도층을 삭제하기 위해 채용된 전극층으로서, 염료감응 태양전지의 제조 비용을 감소시키는 한편, 종래의 투명 전도층과 비교하여 전기 전도성을 상승시키고 전면으로부터 투명 전도층을 제거하여 광투과성을 상승시켜, 전기 에너지 발생 효율을 상승시킨다. 다공질 금속 전극층(130)은 전기 전도성이 우수한 Ti(titanium), Al(aluminum), Ag(argentum) 또는 Cu(cuprum) 중 어느 하나의 금속 재질로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, TiO2 광전극층(120)은 표면적을 넓히기 위해 두껍게 형성하는 반면, 다공질 금속 전극층(130)은 다공질 구조를 손쉽게 형성하며 전해질 통과를 용이하게 하는 등의 작동 효율을 향상시킬 수 있도록 TiO2 광전극층(120) 보다 상대적으로 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 다공질 금속 전극층(130)이 TiO2 광전극층(120)과 전면 투명 기판(111)이 이루는 전면 측면의 단차 부분과 전면 투명 기판(111) 상의 테두리 부분에 형성된다. 이는 앞서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다공질 금속 전극층(130)이 단차 부분에서 끊어짐 없이 전면 투명 기판(111) 상의 테두리 부분까지 형성됨으로써, 염료감응 태양전지를 정상 구동시킬 수 있다. 한편, 다공질 구조로 형성하는 방법은 이빔 증착(electron beam evaporation)법으로 이루어지며, 다공질 구조의 금속 전극층을 형성하는 방법과, 상기 단차 부분에 금속 전극층을 형성하는 방법에 관한 보다 상세한 설명은 다음의 도 2b 및 도 2c를 참조하여 후술하기로 한다.
투명 전도층(140)은 후면 투명 기판(112) 상에 형성되며, 그 재질은 FTO(F:SnO2), ITO(indium tin oxide) 등이 사용된다.
금속박막 촉매전극층(150)은 투명 전도층(140) 상에 형성되며, 그 재질은 촉매 기능을 갖는 Pt(platinum), 흑연 등이 사용된다.
스페이서(160)는 전면 투명 기판(111)과 후면 투명 기판(112) 사이에 전해질(170)을 주입하기 위한 간격을 형성하는 한편, 간격 사이를 외부로부터 밀봉한다. 스페이서(160)는 고분자 수지 필름재로 형성된다.
전해질(170)은 스페이서(160)가 형성하는 간격 사이에 형성되며, 상술한 전극층들과 함께 전기화학 반응을 일으켜 전기에너지를 발생시킨다. 전해질(170)은 요오드화물 이온(I-) 및 삼요오드화물 이온(I3 -)을 함유한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작동 원리는 다음과 같다. 먼저, 광감응 염료가 빛을 흡수하여 발생한 광여기 전자는 TiO2 광전극층(120)에 주입되어, 다공질 금속 전극층(130)에서 외부 회로를 통하여 투명 전도층(140)과 금속박막 촉매전극층(150)으로 이루어지는 상대 전극(TiO2 광전극층(120)과 다공질 금속 전극층(130)으로 이루어지는 전극을 동작 전극이라고도 함)으로 이동한다. 또한, 전자를 방출하여 산화상태에 있는 광감응 염료는 전해질(170) 용액 중의 I-로부터 전자를 받아 재생된다. 이때, I-는 I2로 산화되어 과잉의 I-과의 결합으로 I3 -로 된다. 상대 전극 표면에 도달한 I3 -는 상대 전극으로부터 전자를 받아 환원되어 I-로 재생된다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 소다석회 글라스(sodalime Glass) 재질의 전면 투명 기판(111) 상에 닥터 블레이드(Dr.Blade)법으로 TiO2 전극재 페이스트를 전면 투명 기판(111) 보다 좁은 면적으로 도포한 후, 대략 450℃의 고온에서 열처리한다. 고온 열처리를 통해 15nm ~ 20nm 크기의 고른 나노 다공질 입자분포를 가지는 아나타제(anatase) 결정 구조의 TiO2 광전극층(120)이 형성된다.
다음으로, 도 2b를 참조하면, TiO2 광전극층(120)이 형성된 전면 투명 기판(111)을 챔버(도시하지 않음) 내에서 평행하게 설치한 후, 전면 투명 기판(111) 상에 이빔 증착(electron beam evaporation)법으로 Ti 재질의 다공질 금속 전극층(130)을 형성한다. 박막 증착법에는 스퍼터링(sputtering), 진공 증착법 등 여러 가지 종류가 있다. 그 중 이빔 증착법은 원리가 단순하며, 증착 장비가 간단한 장점이 있다. 또한, 이빔 증착법으로 얻어지는 박막은 다른 증착법에 의한 박막보다 다공성(porosity)이 우수하여, 염료감응 태양전지에 적용시 광감응 염료 및 전해질이 금속 전극층을 통과할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 TiO2 광전극층에 광감응 염료 흡착 및 전해질의 통과를 용이하게 하는 다공질 금속 전극층(130)을 형성할 수 있다. 한편, 다공질 금속 전극층(130)은 Ti 재질 이외에도 전기 전도성이 우수한 Al, Ag 또는 Cu 재질로 형성하는 것이 가능하다. 또한, 다공질 금속 전극층(130)은 TiO2 광전극층(120) 보다 상대적으로 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 기판을 평행하게 하여 증착할 경우, 도 2b와 같이 TiO2 광전극층(120)의 두께에 의해 전면 투명 기판(111) 상의 다공질 금속 전극층(130)과, TiO2 광전극층(120) 상의 다공질 금속 전극층(130)이 오픈(open)되는 스텝 커버리지(step coverage)가 발생한다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 종래의 염료감응 태양전지 구동을 저해하는 문제점을 야기시키는 요소이기도 하다.
이를 개선하기 위해 도 2c와 같이, 금속 전극재가 증착된 전면 투명 기판(111)을 챔버 내에서 예각, 바람직하게는 약 45°로 기울여서 설치한 후 Ti 금속 전극재(131)를 추가로 증착하여, 다공질 금속 전극층(130)의 형성을 완성한다. 이때, TiO2 광전극층(120)과 전면 투명 기판(111)이 이루는 전면측면의 단차 부분에 금속 전극재(131)가 증착되도록 기울이는 방향을 달리하며 증착하는 것이 바람직하다. 이로써, 다공질 금속 전극층(130)이 단차 부분에서 끊어짐 없이 전면 투명 기판(111) 상의 테두리 부분까지 형성됨으로써, 염료감응 태양전지를 정상 구동시킬 수 있다. 또한, 전면 투명 기판(111)을 기울여 금속 전극재를 증착하는 경우, 다공성이 더욱 우수해지므로 염료감응 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 다공질 금속 전극층(130)을 형성한 전면 투명 기판(111)은 광감응 염료 용액(Ruthenium 535-bisTBA, Acetonitrile, tert-Butanol 혼합 용액) 내에 침지하여 광감응 염료를 TiO2 광전극층(120)에 흡착시킨다.
다음으로, 도 2d를 참조하면, 전면 투명 기판(111)과 쌍을 이루는 후면 투명 기판(112) 상에 FTO 또는 ITO 재질의 투명 전도층(140)을 형성하고, 투명 전도층(140) 상에 Pt 재질의 금속박막 촉매전극층(150)을 형성한다.
다음으로, 도 2e를 참조하면, 전면 투명 기판(111)과 후면 투명 기판(112) 사이에 간격을 형성하여 밀봉하는 스페이서(160)를 형성한 후, 간격 사이에서 전해질(170)을 주입하여 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지를 완성한다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법은 이빔 증착법에 의한 금속 전극층의 다공질 형성과, 기울여서 증착하는 방법에 의한 스텝 커버리지 개선을 통하여, 제조 비용을 절감하고 제조 공정을 간단히 할 수 있고, TiO2 광전극층에 광감응 염료 흡착 및 전해질의 통과를 용이하게 하며 정상적인 염료감응 태양전지 구동이 가능하게 된다.
<다른 실시예>
(A) 본 발명의 다른 실시예로서 후면 투명 기판에 형성되는 투명 전도층(도 1 내지 도 2e의 도면 부호 140번 참조) 대신에 금속 전극층을 형성하는 것이 가능하다. 이는 후면 투명 기판에서도 고비용의 투명 전도층을 삭제하기 위한 것으로, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 다공질 금속 전극층(도 1 내지 도 2e의 도면 부호 130번 참조)과 동일한 재질의 금속 전극재를 이용하여 금속 전극층을 형성하도록 한다. 이때, 금속 전극층은 다공질 구조를 가지지 않아도 무방하므로, 이빔 증착법 이외에 다른 박막 증착법으로 형성하는 것도 가능하다. 또한, 투명 전도층을 금속 전극층으로 대체하여도 염료감응 태양전지가 문제없이 동작함을 실험을 통해 확인할 수 있다.
(B) 도 2c와 같이 기울여서 증착하는 방법만으로 상기 TiO2 광전극층(120) 상면에도 다공질 금속 전극층(130)을 충분히 형성할 수 있다면, 도 2b의 평행하게 설치하여 증착하는 단계를 생략하는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 염료감응 태양전지의 제조 비용을 보다 효과적으로 낮출 수 있고 제조 공정을 간단히 할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
111, 112 : 투명 기판
120 : TiO2 광전극층
130 : 다공질 금속 전극층
131 : 금속 전극재
140 : 투명 전도층
150 : 금속박막 촉매전극층
160 : 스페이서
170 : 전해질

Claims (7)

  1. 전면 투명 기판상에 광감응 염료가 흡착되는 TiO2 광전극층을 형성한 후, 상기 TiO2 광전극층 상에 전해질이 통과하는 다공질 금속 전극층을 형성하는 단계; 상기 다공질 금속 전극층을 형성한 후, 상기 TiO2 광전극층 내에 상기 광감응 염료를 흡착시키는 단계; 상기 전면 투명 기판과 쌍을 이루는 후면 투명 기판상에 전도층을 형성하는 단계; 상기 전도층 상에 금속박막 촉매전극층을 형성하는 단계; 상기 전면 투명 기판과 상기 후면 투명 기판 사이에 간격을 형성하여 밀봉하는 스페이서를 형성하는 단계; 그리고 상기 간격 사이에서 전해질을 주입하는 단계; 를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 TiO2 광전극층은 상기 전면 투명 기판 보다 좁은 면적으로 도포한 후 열처리하여 형성하며,
    상기 다공질 금속 전극층은, 상기 TiO2 광전극층이 형성된 전면 투명 기판을 챔버 내에서 기판홀더에 평행하게 설치한 후 금속 전극재를 이빔 증착(electron beam evaporation)법으로 증착하는 단계와, 상기 금속 전극재가 증착된 전면 투명 기판을 챔버 내에서 기판홀더에 예각으로 기울여서 설치한 후 금속 전극재를 이빔 증착법으로 증착하는 단계를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전극재는 Ti, Al, Ag 또는 Cu 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 TiO2 광전극층과 상기 전면 투명 기판이 이루는 전면 측면의 단차 부분에 상기 금속 전극재가 증착되도록 기울이는 방향을 달리하며 증착하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공질 금속 전극층은 상기 TiO2 광전극층 보다 두께를 얇게 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전도층은 투명 전도층이 됨을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 전도층은 상기 금속 전극재와 동일한 재질로 형성되는 금속 전극층이 됨을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법으로 제조된 염료감응 태양전지.
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