KR101097219B1 - 나노 복합체의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지의 제조방법 - Google Patents

나노 복합체의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 나노 복합체의 제조방법은 기판에 수직한 방향으로 복수개의 나노 튜브들을 형성하는 단계와, 나노 튜브에 복합화될 복수개의 나노 입자들을 합성하되, 나노 입자의 직경은 나노 튜브의 내부 직경이나 나노 튜브들 사이의 간격보다 작게 하는 단계와, 상기 나노 입자들을 합성한 다음, 상기 합성된 복수개의 나노 입자들을 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시키는 단계를 포함하되, 나노 입자들은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 나노 튜브의 내부나 상기 나노 튜브들 사이에 위치시키고, 나노 입자들은 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성한다.

Description

나노 복합체의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지의 제조방법{Fabrication method of Nanocomposite and method of dye-sensitized solar cell using the same}
본 발명은 나노 복합체의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-006-02, 과제명: 유비쿼터스 단말용 부품 모듈].
1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원의 마이클 그라첼(Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 태양전지가 개발된 이후, 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응 태양전지는 전기화학적 태양전지로써, 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 산화물층을 구비하는 전극을 포함한다. 염료분자는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성하며, 전극은 생성된 전자를 전달하는 역할을 수행한다.
염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조 단가가 저렴하 다는 이점이 있으나, 에너지 변환 효율(energy conversion efficiency)이 높은 태양전지를 제조하는 것이 어렵다. 그런데, 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율은 광흡수에 의한 생성된 전자의 양에 비례하기 때문에, 많은 양의 전자를 생성하기 위해서는 산화물층에 흡착되는 염료분자의 흡착량을 증가시켜야 한다. 이에 따라, 단위면적당 흡착된 염료분자의 농도를 증가시키기 위해 산화물층을 구성하는 입자를 작게 하는 것이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 앞서 설명한 염료감응 태양전지에서 뿐만 아니라 어떠한 산업 분야에서도 이용할 수 있고, 염료 분자뿐만 아니라 일반적인 분자도 흡착량을 증가시킬 수 있는 나노 복합체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상술한 제조방법에 의해 제조된 나노복합체를 염료 분자가 흡착되는 나노 산화물층으로 이용한 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하는데 있다.
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상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 나노 복합체의 제조방법은 기판에 수직한 방향으로 복수개의 나노 튜브들을 형성하는 것을 포함한다. 나노 튜브에 복합화될 복수개의 나노 입자들을 합성하되, 나노 입자의 직경은 나노 튜브의 내부 직경이나 나노 튜브들 사이의 간격보다 작게 한다. 상기 나노 입자들을 합성한 다음, 상기 합성된 복수개의 나노 입자들을 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시킨다. 나노 입자들은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시키고, 나노 입자들은 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성한다.
나노 튜브는 기판을 에칭하여 얻어지거나, 나노 튜브는 기판 상에 나노 튜브용 전도층을 형성한 후 에칭하여 얻어질 수 있다. 나노 튜브용 전도층은 티타늄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W) 또는 이들의 혼합물로 형성하고, 나노 튜브는 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성할 수 있다.
상술한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법은 제1 기판 상에 형성된 나노 튜브들과 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 분산된 복수개의 나노 입자들로 이루어진 나노 복합체와 나노 복합체 상에 흡착된 염료분자를 포함하는 제1 전극부를 제조한다.
나노 복합체의 제조방법은, 제1 기판에 수직한 방향으로 복수개의 나노 튜브들을 형성하는 단계와, 나노 튜브에 복합화될 복수개의 나노 입자들을 합성하되, 나노 입자의 직경은 나노 튜브의 내부 직경이나 나노 튜브들 사이의 간격보다 작게 하는 단계와, 상기 나노 입자들을 합성한 다음, 상기 합성된 복수개의 나노 입자들을 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시키는 단계를 포함하되, 나노 입자들은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시키고, 나노 입자들은 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성한다.
이어서, 제1 전극부에 대향하여 위치하고 제2 기판 상에 제1 전극부쪽을 향하여 제2 전극부를 준비하고, 제1 전극부과 제2 전극부 사이에 개재된 전해질 용액을 마련하여 염료감응 태양전지의 제조방법을 완성한다.
나노 튜브들은 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성할 수 있다. 나노 입자들은 구형, 튜브형, 막대기형 또는 관상형 입자로 형성할 수 있다.
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본 발명의 나노 복합체의 제조방법은 복수개의 나노 튜브들과, 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 나노 튜브의 내부 직경보다 작게 분산된 복수개의 나노 입자들을 포함하고, 나노 입자들은 나노 입자들은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시킨다.
이와 같이 제조된 나노 복합체는 나노 튜브를 이용하여 전자 이동을 용이하게 하고, 나노 튜브들 및 나노 입자들의 표면적, 특히 나노 입자들의 표면적이 증가되어 일반적인 분자의 흡착량을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 앞서에 의해 제조된 나노 복합체를 염료감응 태양전지에 이용할 경우, 나노 튜브를 이용하여 전자 이동을 빠르게 할 수 있고, 나노 튜브 및 나노 입자, 특히 나노 입자를 이용하여 염료 분자의 흡착량을 크게 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 염료감응 태양전지는 나노 복합체를 이용하여 에너지 변환효율을 크게 증가시킬 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명 세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이고, 이하에서 동일 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 나노 복합체의 제조방법은 복수개의 나노 튜브들과, 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 나노 튜브의 내부 직경보다 작게 분산된 복수개의 나노 입자들을 포함한다. 나노 입자들은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시킨다. 이와 같이 제조된 나노 복합체는 염료감응 태양전지에서 뿐만 아니라 어떠한 산업 분야에서도 이용할 수 있고, 나노 튜브를 이용하여 전하 이동을 용이하게 하고, 나노 튜브들 및 나노 입자들, 특히 나노 입자들의 표면적이 증가되어 염료 분자뿐만 아니라 일반적인 분자도 흡착량을 증가시킬 수 있다. 이와 같은 개념을 갖는 나노 복합체를 이하에서 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 의해 제조된 나노 복합체의 평면도 및 사시도를 나타낸 것이다.
구체적으로, 본 발명에 의해 제조된 나노 복합체(120)는 기판(10)에서 수직한 방향으로 형성된 복수개의 나노 튜브들(100)과, 나노 튜브(100)의 내부나 나노 튜브들(100) 사이에 나노 튜브(100)의 내부 직경이나 나노 튜브들(100) 사이 간격보다 작게 다양하게 분산된 복수개의 나노 입자들(110)을 포함한다. 나노 튜브(100) 내부 및 나노 튜브들(100) 사이는 빈 공간이 많이 있게 된다. 나노 입자들(110)은 나노 튜브(100) 내부 및 나노 튜브들(100) 사이의 빈 공간을 채워준다. 나노 입자(110)는 반도성(semi-conducting)을 가진다. 도 1 및 도 2에서, 편의상 나노 튜브들(100)을 12개 도시하였으나, 더 많이 형성될 수 있다. 도 1 및 도 2에서, 나노 튜브들(100)이 일 방향으로 정렬되어 형성된 것으로 도시되어 있으나, 불규칙하게 배열될 수도 있다.
나노 튜브(100) 및 나노 입자(110)는 나노 산화물로써, 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 티타늄 산화물은 화학식으로 TiO2로 표현될 수 있고, 주석 산화물은 화학식으로 SnO2로 표현될 수 있고, 아연 산화물은 화학식으로 ZnO로 표현될 수 있고, 텅스텐 산화물은 WO3로 표현될 수 있다. 특히, 나노 튜브(100) 및 나노 입자(110)를 티타늄 산화물로 형성하는 것이 바람직하다.
나노 튜브(100)의 외부 직경(X2)은 50nm이상, 바람직하게는 50nm 내지 300nm로 구성될 수 있다. 나노 튜브(100)의 내부 직경(X1)은 50nm이상, 바람직하게는 50nm 내지 200nm로 구성될 수 있다. 나노튜브(100)의 내부 직경(X1)은 나노 튜브(100)의 외부 직경(X2)보다 작게 구성된다. 나노 튜브들(100) 사이의 간격은 50nm이상으로 구성될 수 있다. 나노 튜브(100)의 수직 방향의 길이는 5㎛ 내지 100㎛로 구성될 수 있다. 나노 입자(110)는 2nm 내지 50nm의 크기로 구성될 수 있다. 나노 입자(110)는 도 1 및 도 2에서는 구형으로 도시하였으나, 구형 이외에 튜브형, 막대기(rod)형 또는 관상형 입자로 구성될 수도 있다.
이와 같이 구성되는 나노 복합체(120)를 후에 자세하게 설명하는 바와 같이 염료감응 태양전지에 이용할 경우 나노 입자(110)보다 전하 이동 속도가 빠른 나노 튜브(100)를 이용하여 전자 이동을 빠르게 할 수 있고, 나노 튜브 및 나노 입자(110), 특히 나노 튜브 내의 빈 공간을 채우는 나노 입자(110)를 이용하여 염료 분자의 흡착량을 크게 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 나노 복합체(120)를 염료감응 태양전지에 이용할 경우 에너지 변환효율을 크게 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 나노 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
구체적으로, 본 발명에 의한 나노 복합체의 제조방법은, 먼저 기판에 수직한 방향으로 복수개의 나노 튜브들을 형성한다(스텝 200). 기판은 티타늄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 기판을 이용할 수 있다. 나노 튜브는 기판을 양극산화로 에칭하여 제조할 수 있다. 또는, 나노 튜브는 고분자 기판이나 유리 기판 상에 나노 튜브용 전도층을 형성한 후 양극산화로 에칭하여 제조할 수 있다. 나노 튜브용 전도층은 티타늄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W), 또는 이들의 혼합물로 형성할 수 있다. 이에 따라, 나노 튜브는 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성된다. 나노 튜브의 내부 직경, 외부 직경, 및 수직 길이는 앞서 설명한 바와 동일하다.
이어서, 나노 튜브에 복합화될 복수개의 나노 입자들을 합성하되, 나노 입자의 직경은 나노 튜브의 내부 직경보다 작게 한다(스텝 210). 나노 입자는 티타늄 산화물, 주석 산화물 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물을 이용하여 합성한다. 나노 입자의 직경은 앞서 설명한 바와 동일하다. 이렇게 합성된 복수개의 나노 입자들을 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시킨다(스텝 220). 나노 입자들은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시킨다.
이하에서는, 앞서의 내용을 근거로 나노 복합체 및 그 제조방법의 실시예를 들어 설명한다. 실시예에서는, 나노 튜브 및 나노 입자를 티타늄 산화물로 형성하는 것을 예로 들어 설명한다.
나노 복합체의 제조 실시예 1
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구체적으로, 기판으로써 티타늄 포일(Ti foil)을 아세톤과 알코올 혼합 용액에 담근 후 초음파를 통하여 미세 이물질을 제거하고 0.1% HF용액으로 산화층을 제거한다. 티타늄 산화물(TiO2) 나노 튜브를 얻기 위하여 티타늄 포일(foil)을 0.25% 불화암모늄(NH4F)을 포함하는 에틸렌 글리콜용액에 담근 후 백금(Pt)을 대향 전극으로 하여 50V를 가하여 양극산화로 에칭한다. 약 10시간 후 에칭을 멈추고 샘플을 아세톤과 알코올로 세척을 하여 티타늄 산화물 나노 튜브를 형성한다.
이어서, 티타늄 산화물 나노 입자를 합성한다. 예컨대, 0℃에서 0.5몰(M)의 사염화티타늄(TiCl4) 수용액을 제조하고, 상온에서 일주일간 가수분해하여 흰색의 티타늄 산화물 분말을 침전시킨다. 수용액 내에 침전된 분말을 회전식 감압 증발기(rotary evaporator)를 이용하여 회수한 후, 증류수에 재분산시키고 다시 회전식 감압 증발기로 증발시켜 흰색의 티타늄 산화물 나노 입자를 합성한다. 티타늄 산화물 합성시 티타늄 산화물 나노 입자의 직경은 후에 복합화될 나노 튜브의 내부 직경이나 나노 튜브들 사이의 간격보다 작게 합성한다.
다음에, 티타늄 산화물 나노 튜브를 티타늄 산화물 나노 입자가 분산된 수용액에 담그고 10V 전압을 가하여 전기영동법으로 티타늄 산화물 나노 입자를 티타늄 산화물 나노 튜브 속으로 들어가게 한다. 본 실시예에서는, 전기영동법을 이용하여 티타늄 산화물 나노 입자를 티타늄 산화물 나노 튜브속으로 들어가게 하였으나, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 물론, 전기영동법을 이용하는 것이 바람직하다.
그 후에, 티타늄 산화물 나노 입자가 티타늄 산화물 나노 튜브 속에 들어간 결과물을 500℃ 공기 분위기 하에서 30분간 열처리를 해준다. 다시, 열처리된 결과물을 70℃에 염화티타늄(TiCl4) 용액에 담근 후, 다시 500℃ 공기 분위기 하에서 30분간 열처리를 해주어 티타늄 산화물 나노 입자가 티타늄 산화물 나노 튜브 속에 들어간 나노 복합체를 완성한다.
나노 복합체의 제조 실시예 2
구체적으로, 기판 상에 스퍼터링으로 티타늄(Ti)을 약 20마이크로미터 정도의 두께로 코팅한다. 기판은 ITO 또는 F가 도핑된 SnO2가 코팅된 고분자 기판이나, ITO 또는 F가 도핑된 SnO2가 코팅된 유리 기판일 수 있다. 이어서, 실시예 1과 같이, 코팅된 티타늄층을 앞서 설명한 양극 산화에 의한 에칭법으로 티타늄 산화물 나노 튜브를 제조한다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 티타늄 산화물 나노 튜브를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 이용된 티타늄 산화물 나노 입자를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 4 및 도 5는 티타늄 산화물 나노 튜브 및 티타늄 산화물 나 노 입자를 촬영한 전자현미경 사진이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 티타늄 산화물 나노 튜브는 기판에서 수직한 방향으로 복수개의 형성됨을 알 수 있으며, 티타늄 산화물 나노 튜브 하나의 직경은 앞서 설명한 바와 같이 제조될 수 있다. 특히, 도 4에서 티타늄 산화물 나노 튜브의 내부 직경이 50 nm 이상이 되는 것을 명확히 확인할 수 있다. 그리고, 도 5에 도시한 바와 같이 티타늄 산화물 나노 입자는 나노 사이즈임을 알 수 있으며, 티타늄 산화물 나노 입자의 크기는 앞서와 같은 크기로 제조될 수 있다.
다음에는, 앞서와 같은 나노 복합체의 제조방법을 이용한 염료감응 태양전지의 구성 및 그 제조방법을 설명한다.
염료감응 태양전지에 관한 실시예
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 7은 도 6의 나노 복합체층을 도시한 평면도이다.
구체적으로, 본 발명의 염료감응 태양전지는 제1 전극부(20)와, 제1 전극부(20)의 하부에 위치하여 대향하는 제2 전극부(40)와, 제1 전극부(20)와 제2 전극부(40) 사이에 개재된 전해질 용액(60)을 포함한다. 제1 전극부(20)와 제2 전극부(40) 사이의 양단부에는 전해질 용액(50)이 새어나오지 않게(밀봉시키기 위해) 열가소성 고분자 재료로 이루어진 밀봉 부재(80)가 형성되어 있다.
제1 전극부(20)는 제1 기판(10)과, 제1 기판(10) 상에 형성되고 염료 분자(115)가 흡착된 나노 복합체층(125)을 포함한다. 제1 기판(10)은 전도성 기판, 예컨대 티타늄(Ti) 포일이나, ITO가 코팅된 Ti 기판을 이용할 수 있다. 물론, 제1 기판(10)은 전도성 기판으로써, ITO 또는 F가 도핑된 SnO2가 코팅된 고분자 기판 또는 유리 기판을 이용할 수 있다.
나노 복합체층(125)은 전극 역할을 수행할 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 나노 튜브들(100)과 나노 튜브(100)의 내부나 나노 튜브들(100) 사이에 나노 튜브(100)보다 직경이 작게 분산된 복수개의 나노 입자들(110)로 이루어진 나노 복합체(120)를 포함한다. 나노 입자들(110)은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 나노 튜브의 내부나 나노 튜브들 사이에 위치시킨다. 나노 복합체(120) 상에는 염료 분자(115)가 화학적으로 흡착된다. 염료 분자(115)로는 루테늄계 염료 분자를 이용한다.
제2 전극부(40)는 제1 전극부(20)의 하부에 대향하여 위치하고, 제2 기판(30) 상에 제1 전극(20) 쪽을 향하여 형성된 백금 전극층(32)을 포함한다. 제2 기판(30)은 유리 기판이나 고분자 기판 상에 Ti층이 형성된 전도성 기판을 이용할 수 있다. 백금 전극층(32)은 나노 복합체층(125)과 대향하게 위치한다. 제1 기판(10)이나 제2 기판(30)중 어느 하나는 투명한 기판으로 형성한다.
제1 전극부(20)와 제2 전극부(40) 사이에는 전해질 용액(60)이 개재된다. 전해질 용액(60)은 0.6M의 부틸-메틸-이미다졸륨(butylmethylimidazolium), 0.02M의 I2(Iodine), 0.1M의 구아니다니윰 티오시안네이트(Guanidinium thiocyanate), 0.5M의 4-tert 부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 포함하는 아세토 니트릴 용액을 이용한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 작동 방법의 일 예를 설명한다.
구체적으로, 투명한 제1 기판(10)이나 제1 기판(10)을 투과한 빛에 의해 나노 복합체층(125)에 흡착된 염료분자가 태양 빛을 흡수한다. 염료분자는 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 이루며 여기상태의 전자는 나노 복합체층(125)의 전도대로 주입된다.
나노 복합체층(125)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 나노 복합체층(125)에 접하고 있는 전도성 제1 기판(10)에 전달되고 외부전선(미도시)을 통하여 제2 전극부(40), 예컨대 백금 전극층(32)으로 이동된다. 전자 전이의 결과로 산화된 염료 분자는 전해질 용액(60) 내의 요오드 이온의 산화(3I--> I3 -+2e-)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 제2 전극부(40)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동 과정이 완성된다.
도 8은 본 발명에 의한 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
구체적으로, 앞서 설명한 바와 같이 제1 기판 상에 나노 복합체층을 형성한다. 나노 복합체층은 앞서 설명한 바와 같이 나노 복합체에 염료 분자를 흡착하여 형성한다. 나노 복합체의 제조 방법에 대하여는 앞서 자세히 설명하였으므로 생략한다. 염료 분자 흡착 공정은 나노 복합체를 염료 분자가 들어있는 알코올 용액에 24시간 담가 수행한다. 이렇게 되면, 제1 기판 상에 염료 분자가 흡착된 나노 복합체층을 포함하는 제1 전극부가 완성된다(스텝 300).
계속하여, 제2 기판 상에 백금 전극층이 형성된 제2 전극부를 준비한다(스텝 310). 백금 전극층은 제2 기판 상에 백금 전극층을 코팅하여 형성한다. 이어서, 제1 전극부과 제2 전극부를 밀봉 부재로 밀봉하고 접합한다(스텝 320). 다음에, 제2 전극부를 통하여 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 전해질 용액을 주입하여 염료감응 태양전지를 제조한다(스텝 330).
이하에서, 나노 복합체를 앞서 실시예 1로 제조할 경우, 본 발명의 실시예 1의 염료감응 태양전지라 칭한다. 나노 복합체를 실시예 2로 제조할 경우, 본 발명의 실시예 2의 염료감응 태양전지라 칭한다.
염료감응 태양전지에 관한 비교예 1
구체적으로, 비교예 1은 본원 발명의 구성과 동일한데, 다만 앞서 나노 복합체의 제조시(실시예 1의 제조시) 티타늄 산화물 나노 튜브만을 형성한 염료감응 태양전지이다. 즉, 비교예 1은 본원 발명의 구성에서, 나노 복합체에 티타늄 산화물 나노 입자가 포함되지 않고, 티타늄 산화물 나노 튜브만 형성한 경우의 염료감응 태양전지이다.
염료감응 태양전지에 관한 비교예 2
구체적으로, 비교예 2는 본원 발명의 구성과 동일한데, 다만 제1 기판 상에 티타늄 산화물 나노 입자를 약10 마이크로미터의 두께를 갖는 필름으로 제조한 염료감응 태양전지이다. 즉, 비교예 2는 본원 발명의 구성에서 티타늄 산화물 나노 튜브가 포함되어 있지 않고, 티타늄 산화물 나노 입자만 포함한 염료감응 태양전지 이다. 비교예 2에서, 이용된 제1 기판은 F가 도핑된 SnO2가 코팅된 유리 기판이다.
다음에는, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 염료감응 태양전지와 비교예 1 및 2의 염료감응 태양전지의 비교하여 설명한다.
아래 표 1은 질소 흡착을 통하여 실시예 1의 염료감응 태양전지의 나노 복합체와 비교예 1의 염료감응 태양전지의 티타늄 산화물 나노 튜브의 표면적을 조사한 결과이다. 실시예 1의 염료감응 태양전지의 나노 복합체의 표면적은 비교예 1의 염료감응 태양전지에 비하여 약 20% 정도의 향상됨을 알 수 있다. 이것은 염료 분자가 흡착 할 수 있는 면적이 20% 정도 늘어났다는 의미이므로 보다 향상된 염료감응 태양전지의 셀 성능을 기대 할 수 있다.
조건
비교예 1의
염료감응 태양전지
 실시예 1의
염료감응 태양전지
표면적 400m2/g 480m2/g
아래 표 2는 실시예 1 및 2의 염료감응 태양전지와 비교예 1 및 2의 염료감응 태양전지의 효율을 나타내었다. 실시예 1과 실시예 2에서는 비교예 1과 대비할 때 약 20% 이상의 효율 증가를 보임을 알 수 있다. 실시예 1 및 실시예 2는 비교예 2와 대비해서도 약 10% 이상의 효율 향상을 보임을 알 수 있다.
조건 실시예 1의
염료감응
태양전지		 실시예 1의
염료감응
태양전지 		비교예 1의
염료감응
태양전지		 비교예 2의
염료감응
태양전지
에너지
변환 효율		 6.1% 7.1% 4.5% 4.6%
이상과 같은 결과를 볼 때, 본 발명의 실시예 1 및 2의 염료감응 태양전지는 티타늄 산화물 나노 튜브 및 티타늄 산화물 나노 입자를 복합화한 나노 복합체로 전극을 구성하기 때문에, 비교예 1 및 2의 티타늄 산화물 나노 튜브나 티타늄 산화물 나노 입자를 단독으로 사용하여 전극을 제조할 경우와 대비하여 보다 셀 효율을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 현상은 본 발명의 염료감응 태양전지가 티타늄 산화물 나노 튜브의 높은 전하의 이동성과 티타늄 산화물 나노 입자의 높은 표면적의 장점을 동시에 사용하기 때문이다.
도 9는 본 발명에 의한 염료감응 태양전지의 전류 및 전압 그래프를 도시한 도면이다.
구체적으로, 본 발명의 실시예 1에 의한 염료감응 태양전지는 (a)으로 표시한 바와 같이 약 15.5mA/cm2의 전류밀도 및 약 0.78V의 전압을 나타낸다. 이에 반하여, 비교예 2에 의한 염료감응 태양전지는 (b)로 표시한 바와 같이 약 10.7mA/cm2의 전류밀도 및 약 0.73V의 전압을 나타낸다. 이에 따라, 본 발명의 염료감응 태양전지는 전압 특성 및 전류특성이 비교예 2보다 좋음을 알 수 있다. 이와 같은 전압 및 전류 특성도 본 발명의 염료감응 태양전지가 전극의 티타늄 산화물 나노 튜브 및 티타늄 산화물 나노 입자로 구성하여 나노 튜브의 높은 전하의 이동성과 티타늄 산화물 나노 입자의 높은 표면적의 장점을 동시에 갖기 때문인 것으로 사료된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 의해 제조된 나노 복합체의 평면도 및 사시도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 나노 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 티타늄 산화물 나노 튜브를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 이용된 티타늄 산화물 나노 입자를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 나노 복합체층의 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 의한 염료감응 태양전지의 전류 및 전압 그래프를 도시한 도면이다.

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 기판에 수직한 방향으로 복수개의 나노 튜브들을 형성하는 단계;
    상기 나노 튜브에 복합화될 복수개의 나노 입자들을 합성하되, 상기 나노 입자의 직경은 상기 나노 튜브의 내부 직경이나 나노 튜브들 사이의 간격보다 작게 하는 단계; 및
    상기 나노 입자들을 합성한 다음, 상기 합성된 상기 복수개의 나노 입자들을 상기 나노 튜브의 내부나 상기 나노 튜브들 사이에 위치시키는 단계를 포함하되,
    상기 나노 입자들은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 상기 나노 튜브의 내부나 상기 나노 튜브들 사이에 위치시키고, 상기 나노 입자들은 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 복합체의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 나노 튜브는 상기 기판을 에칭하여 얻어지거나, 상기 나노 튜브는 상기 기판 상에 나노 튜브용 전도층을 형성한 후 에칭하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 나노 복합체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 나노 튜브용 전도층은 티타늄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W) 또는 이들의 혼합물로 형성되고, 상기 나노 튜브는 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 복합체의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1 기판 상에 형성된 나노 튜브들과 상기 나노 튜브의 내부나 상기 나노 튜브들 사이에 분산된 복수개의 나노 입자들로 이루어진 나노 복합체와 상기 나노 복합체 상에 흡착된 염료분자를 포함하는 제1 전극부를 제조하는 단계;
    상기 제1 전극부에 대향하여 위치하고 제2 기판 상에 상기 제1 전극부쪽을 향하여 제2 전극부를 준비하는 단계; 및
    상기 제1 전극부과 제2 전극부 사이에 개재된 전해질 용액을 마련하는 단계를 포함하여 이루어지되,
    상기 나노 복합체의 제조방법은,
    상기 제1 기판에 수직한 방향으로 복수개의 나노 튜브들을 형성하는 단계;
    상기 나노 튜브에 복합화될 복수개의 나노 입자들을 합성하되, 상기 나노 입자의 직경은 상기 나노 튜브의 내부 직경이나 나노 튜브들 사이의 간격보다 작게 하는 단계; 및
    상기 나노 입자들을 합성한 다음, 상기 합성된 상기 복수개의 나노 입자들을 상기 나노 튜브의 내부나 상기 나노 튜브들 사이에 위치시키는 단계를 포함하되, 상기 나노 입자들은 전기영동법, 스핀 코팅법, 또는 딥 코팅법에 의하여 상기 나노 튜브의 내부나 상기 나노 튜브들 사이에 위치시키고, 상기 나노 입자들은 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 나노 튜브들은 티타늄 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서, 상기 나노 입자들은 구형, 튜브형, 막대기형 또는 관상형 입자로 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
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