KR101097752B1 - 기능기가 증가된 광촉매 및 그 제조방법, 상기 광촉매를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

기능기가 증가된 광촉매 및 그 제조방법, 상기 광촉매를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기능기가 증가된 광촉매 및 그 제조방법, 상기 광촉매를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명의 광촉매는 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2)을 포함하고, 이에 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제 등을 추가하여 페이스트 조성물을 형성하여 염료감응형 태양전지의 반도체 전극을 형성하는데 사용한다. 이러한 본 발명에 의해 제작되는 반도체 전극을 포함하는 염료감응형 태양전지는 염료의 흡착량이 증가되고, 여기된 전자-정공쌍의 재결합(recombination)을 억제시킴으로써 염료감응형 태양전지의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다.
염료감응, 태양전지, MAESO, 이산화티탄, 페이스트, 반도체 전극, 광촉매

Description

기능기가 증가된 광촉매 및 그 제조방법, 상기 광촉매를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법{Photocatalyst by increasing functionalization and Manufacturing method thereof, Composition of paste for forming semiconductor electrode of dye-sensitized solar cell including the said photocatalyst and Manufacturing method thereof, And Dye-sensitized solar cell using the same, and Manufacturing method thereof}
본 발명은 기능기가 증가된 광촉매 및 그 제조방법, 상기 광촉매를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO)를 사용하여 광촉매에 기능기를 부여하는 방법과 그를 통해 제조되는 광촉매, 이러한 광촉매를 이용하여 반도체 전극용 페이스트 조성물을 제작하여 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법에 이용하는 것이다.
태양광을 이용한 태양전지(photovoltaic cell or solar cell)는 태양광 에너 지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 기술을 적용함으로서 다른 신재생에너지에 비해 에너지원이 무한정하며, 전기 발전 과정에서 공해가 배출되지 않아 친환경적이며, 에너지 수급안정성 확보가 가능한 장점이 있다.
또한, 수명이 반영구적이고 소음이 없으며 유지보수가 간단하여 소규모 전원부터 대규모 발전소 용도로까지 응용이 가능하다는 장점이 있다.
현재, 대중적이고 일반적으로 사용되는 실리콘 태양전지는 대형의 고가장비 및 원료 가격의 한계로 인한 제조 원가 상승의 문제와, 고도의 기술 및 다량의 에너지가 필요한 단점이 있다.
이를 해결하기 위한 대안으로 연구된 염료감응형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 제조원가가 낮으며(약 1/4 ~ 1/5) 원재료인 산화티탄, 색소, 전해질 용액이 자원적으로 풍부하며, 대기압 하에서 코팅방식이나 생산방식이 간단하여 대량 제조가 가능한 장점이 있다.
하지만, 염료감응형 태양전지는 태양광의 에너지 변환 효율면에서 실리콘 태양전지보다 낮은 단점이 있기 때문에 에너지변환을 고효율로 개선하기 위한 연구가 진행되고 있는 실정이다.
특히 염료감응형 태양전지의 반도체 전극(광전극, N형극, Semiconductor) 제조에 사용되는 광소자 중 광촉매인 이산화티탄(TiO2)은 그 물리,화학적 특성에 따라 태양전지의 에너지 효율 변화에 변수로 작용할 뿐만 아니라 염료감응형 태양전지에서 염료의 고정화(흡착) 기능을 하는 중요한 소재이다.
따라서, 염료감응형 태양전지의 에너지 변환효율을 향상시키기 위해서 광촉매 표면에 염료 흡착량을 증가시키는 것이 중요한 연구 분야 중 하나라고 할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 광촉매보다 많은 기능기를 가져 광촉매의 염료 흡착량을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 전자의 생성량을 증가시킬 뿐만 아니라 여기된 전자와 정공쌍의 재조합(recombination)을 억제시켜 염료감응형 태양전지의 에너지 변환효율을 향상시키는데 목적이 있다.
또한 고효율의 염료감응형 태양전지를 개발하기 위해 MAESO를 이용하여 기능기가 증가된 광촉매를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트를 제공하고, 이를 이용하여 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 광촉매는 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 MAESO와 이산화티탄의 중량비는 특별히 제한되지 않지만 0.25~1:5 인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광촉매의 표면적은 특별히 제한되지 않지만 100 ~ 120 m2/g인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광촉매는 광촉매의 전체 총중량 대비 1.4 내지 2.5 중량%의 황 함 유량을 가질 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 광촉매의 제조방법은 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO)를 유기용매에 용해한 MAESO 용액에 나노입자 이산화티탄(TiO2)을 혼합하여 교반하는 단계 및 상기 교반액을 원심분리한 슬러지를 소성하고 파쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서 상기 유기용매는 아세틸아세톤(acethylacetone)인 것이 바람직하지만 이에 특별히 제한되는 것은 아니며 MAESO 물질이 용해될 수 있는 공지된 유기용매이면 적용가능하다.
상기 MAESO 용액의 농도는 특별히 제한되지 않으나 0.5x10-2 ~ 5x10-2 mole/L일 수 있으며, 0.6x10-2 ~ 2.7x10-2 mole/L 또는 0.69x10-2 ~ 2.76x10-2 mole/L 이 더욱 바람직하다. 최적의 MAESO 용액의 농도는 0.69x10-2 이다.
본 발명의 일 실시예에서 제안되는 바람직한 MAESO 용액의 MAESO와 나노입자 이산화티탄(TiO2)의 중량비는 0.25~1:5 일 수 있다.
한편 본 발명의 광촉매 제조방법에 있어서 상기 교반하는 단계는, 10 ~ 20분동안 급속교반하는 단계, 상기 급속교반 후 증류수(H2O)를 첨가한 후 24 ~ 48 시간동안 완속교반하는 단계를 포함한다.
상기 급속교반과 완속교반의 속도는 특별히 제한되지 않지만, 100 내지 200rpm 수준의 교반을 완속교반으로 설정하고, 1000 내지 3000rpm 수준의 교반을 급속교반으로 설정할 수 있다. 그러나 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 상기 완속교반과 급속교반은 회전속도의 상대적인 차이로서 정의될 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에서, 상기 슬러지를 소성하는 단계는, 80 ~ 100℃ 에서 10 ~ 15시간 건조한 후 300 ~ 500℃ 에서 10 ~ 30분간 소성하는 것을 특징으로 한다.
상기 건조 온도 및 시간, 소성 온도 및 시간은 상기 조건에 특별히 제한되지 않으며 고온으로 갈수록 공정 시간은 짧아질 수 있다.
바람직하게는 상기 슬러지의 소성시 80℃ 에서 12시간 동안 건조한 후 400℃ 에서 30분간 소성할 수 있다.
상기 소성이 완료되면 나노막자 사발을 이용하여 상기 소성 완료된 슬러지를 파쇄하여 나노 입자의 광촉매를 형성할 수 있다.
상기 파쇄 단계 후의 광촉매 입자의 입경은 특별히 제한되지 않지만 10 ~ 50nm 인 것이 바람직하며, 특히 20 ~ 30nm인 것이 더 바람직하다.
또한 상기 파쇄 단계 후 완성된 광촉매의 표면적은 특별히 제한되지 않지만 100 ~ 120 m2/g인 것이 바람직하다.
상기 제시한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물은 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물에 있어서, 상기 유기용매는 에탄올(ethanol), 아세틸아세톤(acethylacetone), 터피네올, 부틸 카르비톨 중에서 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
또한 상기 결합제는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 및 프로필 셀룰로오스(propyl cellulose) 중에서 적어도 하나 이상 선택하여 사용할 수 있다.
한편 상기 계면활성제는, 트리톤 X-100, 로릴 산, 수산화 벤조산, 및 이들의 혼합물 중에서 어느 하나 이상 선택할 수 있다.
상기 트리톤 X-100은 그 화학식이 (C14H22O(C2H4O)n)이며, 하기와 같은 구조식을 갖는다.
Figure 112011046351173-pat00016
상기 MAESO 분자와 나노입자 이산화티탄(TiO2)의 중량비는 상기 제안한 바와 같다.
다만 상기 페이스트 조성물 중에서 MAESO 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2)이 차지하는 중량비는 전체 페이스트 조성물의 중량 대비 32 ~ 36중량% 인 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 페이스트 조성물의 일 실시예에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 희석용 산을 더 포함할 수 있는데, 질산이 사용될 수 있다.
상기 제시한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물은 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합 체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO)를 아세틸아세톤(acethylacetone)에 용해한 MAESO 용액에 나노입자 이산화티탄(TiO2)을 혼합하여 교반하는 단계, 상기 교반액을 원심분리한 슬러지를 소성하고 파쇄하여 나노입자의 광촉매를 형성하는 단계, 및 상기 형성된 광촉매와, 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제, 희석용 산을 밀봉된 공간에서 24 ~ 48시간동안 분쇄 및 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 분쇄 및 혼합하는 단계는, 분쇄기에 상기 형성된 광촉매, 증류수, 에탄올, 아세틸아세톤, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 트리톤 X-100, 질산(HNO3)을 순서대로 넣고 밀봉상태로 24 ~ 48시간동안, 바람직하게는 24시간 동안 분쇄하면서 혼합하는 것이다. 이러한 과정을 통해 광촉매 입자와 그 외의 상기 시약들이 잘 분산되어 섞여질 수 있다.
상기와 같이 분쇄 혼합하는 단계가 끝나면 제조된 페이스트를 밀봉이 가능하도록 취합하여 암실에 보관할 수 있다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지는 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제, 희석용 산을 포함하는 페이스트 조성물이 도포된 반도체 전극, 상기 반도체 전극에 대향하는 상대전 극, 상기 반도체 전극과 상대전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하여 구성될 수 있다.
이 때 상기 반도체 전극과 상대전극은 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide)이 코팅된 투명 기판 위에 각각 형성될 수 있는데, 투명 기판은 유리 기판인 것이 바람직하지만 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
상기 실시예에 있어서, 투명 전도성 산화물은 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 불소도핑산화주석(FTO) 등의 주석 산화물일 수 있다.
또한 상기 상대전극은 전해질 용액과 인접하는 내부면에 전기적 촉매층을 더 포함할 수 있는데, 전기적 촉매층은 백금(Pt) 또는 탄소(C)인 것이 바람직하나 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 전기적 촉매 기능을 수행할 수 있으면서도 입사된 광을 반사시킬 수 있는 금속 원소가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법은 제 1 전도성 기판 상에, 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제, 희석용 산을 포함하는 페이스트 조성물을 코팅하고 소성하는 단계와, 상기 코팅,소성된 제 1 전도성 기판에 염료를 고정하여 반도체 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 2 전도성 기판에 전기적 촉매층을 코팅하여 상대전극을 형성하는 단계, 및 상기 반도체 전극과 상기 상대전극 사이에 전해질 용액을 가하고 밀봉하는 단계를 포함한다.
상기 페이스트 조성물을 코팅하는 방법은 스크린 프린팅(Screen printing)법이 바람직하지만 이에 반드시 제한되는 것은 아니며 페이스트를 도포하는 공지된 코팅법이 이용될 수 있다.
또한 상기 페이스트 조성물은 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 에탄올, 아세틸아세톤, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 트리톤 X-100, 질산(HNO3)을 포함할 수 있다.
이 때 상기 페이스트 조성물의 나노입자 이산화티탄(TiO2)의 중량비는 전체 페이스트 조성물의 중량 대비 32 ~ 36중량% 인 것은 상술한 바와 같다.
본 발명에 의하면 MAESO를 포함하여 기능기가 증가된 광촉매와 이를 포함하는 반도체 전극용 페이스트를 이용하여 염료감응형 태양전지의 광전극을 제조함으로써 염료감응형 태양전지의 에너지 변환효율을 고효율로 개선시키는 효과가 있다.
또한 MAESO에 의해서 광촉매 표면에 형성된 기능기가 염료 뿐만 아니라 기타 전이금속 등을 광촉매 내부로 담지하도록 유도하는 효과가 있다.
또한 본 발명의 광촉매가 포함된 페이스트를 사용하여 반도체 전극을 제조하고 염료감응형 태양전지를 제조함으로써 염료감응형 태양전지의 대량 생산이 가능하고 제조공정을 간편하게 진행시킬 수 있어 태양전지의 양산성 증가와, 생산 비용 절감의 효과를 제공할 수 있다.
염료감응형 태양전지의 반도체 전극에 사용되는 광촉매는 염료의 고정화 또는 흡착 기능을 하는 중요한 소재이기 때문에 이러한 염료 흡착량을 증가시키기 위한 연구 개발이 최근들어 진행되어 오고 있다
일반적으로 광촉매는 페이스트 제조 공정을 거친 후 전도성 유리 기판에 얇은 필름 형태로 코팅이 되며, 이러한 코팅은 다공질 막을 형성한다.
형성된 다공질 막의 표면적은 기판의 동일 면적에 비해 약 1000배 정도 크며, 이산화티탄(TiO2) 표면에 염료(루테늄계 염료)를 고정시킨다.
이산화티탄 표면에 염료가 흡착되는 메커니즘은 루테늄계 염료를 구성하고 있는 피리딘계(pyridyl 고리)는 카르복실기(-COOH)를 가지고 있어 TiO2 표면의 수산기(-OH)와 Ester결합을 형성하여 염료를 TiO2 표면에 단일층으로 화학적으로 고정하게 된다.
이러한 결합으로 인해 염료로부터 입사광에 의해 여기되어 발생한 전자가 TiO2 전도띠로 전자 이동이 효율적으로 이루어지게 된다.
따라서, 광촉매 표면에 염료의 흡착량을 증가시키기 위해 광촉매의 표면적을 넓게 하는 방법과 염료와 결합되어지는 광촉매 표면의 OH기(기능기)를 증가시키는 방법이 제안되어 왔다.
전자의 방법으로는 입자의 크기를 작게하는 방법이 있으나, 너무 작은 입자는 전자와 정공쌍의 재결합을 유도하므로 그 한계가 있다.
후자의 경우는 광촉매 표면에 OH기를 임의적으로 부여하기 위해 어떠한 혼합물(reagent)를 첨가하는데, 이 첨가제는 생성된 전자의 흐름을 방해할 수 있기 때문에 선택성의 폭이 좁은 문제가 있다.
전자의 해결방안으로서 광촉매의 입자의 표면적을 크게 함으로써 해결할 수 있고, 후자의 문제점은 전자의 흐름이 방해받지 않도록 하면서 기능기를 부가시킬 수 있는 첨가제를 개발하는 것으로서 해결할 수 있을 것이다.
본 발명은 후자에 관한 문제를 해결하는 방식으로 광촉매의 염료 흡착량의 증가를 도모하는 것인데, 전자의 흐름을 방해하지 않으면서 광촉매의 표면에 기능기(OH기)를 다수 추가시킬 수 있는 첨가제로서 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO)를 제안한 것이다.
상기 MAESO 물질은 식물성 오일을 이용하여 합성한 것인데, 식물성 오일은 코팅제, 가소제(plasticizers), 접착제, 페인트 결합제 등 넓은 범위에서 사용된다.
MAESO를 이용하여 광촉매 표면에 반응기를 형성하는 본 발명의 핵심적인 기술은, 우선 높은 온도(400℃ 정도)에서 소성되어지는 광촉매 및 반도체 전극 제조 과정에서 MAESO 유기물이 제거되거나 MAESO가 가지는 고유의 기능기가 화학적 결합을 일으켜 사라지지 않는 장점을 가진다.
한편 염료의 카르복실산과 광촉매 표면의 OH기가 결합할 때 수소이온(H+)이 방출되고, 이 때 수소이온(H+)과 카르복실기(COOH-)가 다시 결합하게 되어 염료의 흡착량은 많으나 생성된 전자의 재결합을 유도하게 되어 결국 태양전지의 전체 효율 감소를 초래하는데, 본 발명에서 부가되는 MAESO 의 경우, MAESO 기능기 중 탄소(C)와 산소(O)가 그 자리(H+)에 결합될 수 있어 이러한 전자의 재결합 현상을 억제시켜 전자의 흐름을 원활하게 하는 장점도 있다.
따라서, 염료감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키기 위한 방법 중 광촉매 표면의 OH 기능기를 증가시키는 광촉매는 구체적인 실시예로 다음과 같이 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서 MAESO를 포함하는 광촉매 및 그 제조방법은 MAESO 0.5g, 1.0g, 2.0g 을 각각 아세틸아세톤 용액 30mL에 녹인 후 광촉매인 이산화티탄을 10g 가한 후 입자들은 분산 및 교반하여 생성된 광촉매 슬러지를 원심분리, 건조, 소성의 단계를 거쳐 최종적인 기능기가 증가된 광촉매를 제조하는 것이다. 이후 제조된 광촉매를 활용하여 페이스트를 제조하고, 이를 코팅, 제 소성시킴으로써 광촉매가 코팅된 필름을 제작하고 염료의 흡착공정을 거쳐 최종적인 염료감응형 태양전지의 광전극을 제조하게 되는 것이다.
이하 첨부된 도면을 활용하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
우선, S10단계에서 아세틸아세톤(Acethylacetone) 용액에 MAESO를 넣어 혼합한다. MAESO를 효과적으로 광촉매 표면 및 내부에 포함시키기 위하여 유기용매를 용매제로 하고 MAESO를 용질로 하여 녹이는데, 일 실시예로서 유기용매는 아세틸아세톤을 사용하였다.
이 때 MAESO는 0.5g 내지 2.0g의 범위로 아세틸아세톤 30mL에 혼합하여 최종적인 MAESO 용액의 농도가 0.5x10-2 ~ 5x10-2 mole/L의 범위가 되도록 한다. 바람직하게는 0.6x10-2 ~ 2.7x10-2 mole/L 또는 0.69x10-2 ~ 2.76x10-2 mole/L 으로 희석할 수 있으며, 최적의 농도로는 0.69x10-2 mole/L가 바람직하다.
그 후에 S11 단계에서 2시간 정도 교반하는데 25℃의 실내온도 하에서 교반한다. 교반 속도는 특별히 제한되지 않으나 완속 속도로 실시하는 것이 바람직하다. MAESO는 아세틸아세톤에 용해하면 MAESO 가 가지고 있는 점성이 낮아져 분산이 용이하게 되므로 용해한 후 교반하도록 한다.
다음으로 S12 단계에서 광촉매 이산화티탄과 혼합한다. 혼합되는 이산화티탄의 중량은 특별히 제한되지 않으나 상기 S11에서 교반에 의해 제조된 MAESO 용액 내에 실험실 규모로 제조(표면적 100 ~ 120 m2/g)된 광촉매를 약 10g 정도 혼합한다.
혼합되는 MAESO와 광촉매인 이산화티탄의 중량비는 특별히 제한되지 않으나 0.25 내지 1 : 5의 중량비가 되는 것이 바람직하다.
광촉매를 MAESO 교반액과 혼합한 뒤 S13 단계에서 10분간 급속 교반한다.
다음으로 S14 단계에서는 급속 교반 후 증류수를 100mL 정도 혼합하고 24시 간동안 25℃의 실온에서 150rpm의 환경으로 다시한번 완속 교반을 수행한다. 실험실 규모에서는 쉐이킹 인큐베이터에서 상기와 같은 조건으로 완속 교반을 수행할 수 있다.
S15 단계로 들어가서, 교반 후 10분간 3000rpm의 급속에서 원심 분리하여 슬러지를 형성한다. 형성된 슬러지는 S16 단계에서 12시간 동안 80℃의 온도 조건으로 건조된다.
건조된 MAESO 가 추가된 광촉매 슬러지는 400℃의 고온에서 30분간 소성된다. 소성이 완료되면 본 발명의 광촉매가 형성되는데, 이를 옥 재질의 나노 막자 사발을 이용하여 기계적으로 파쇄한다. 바람직하게는 상기 파쇄되어 최종적으로 형성된 광촉매의 입자 입경이 20 내지 30nm의 나노 수준이 되도록 파쇄한다. 상기 파쇄되어 최종적으로 형성된 나노 입자의 광촉매는 MAESO 가 첨가되어 OH 기능기가 훨씬 증가된 광촉매가 된다(S18). 상기 완성된 광촉매의 표면적은 특히 제한되지 않지만 100 내지 120 m2/g의 범위에서 선택되도록 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물 제조방법을 나타낸 흐름도인데, 이는 도 1의 과정을 거쳐 형성된 MAESO 함유의 광촉매를 이용한 것이다.
따라서 도 2의 S20 내지 S28의 과정은 상기 도 1의 S10 내지 S18의 과정과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
MAESO가 함유되어 기능기가 증가된 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매는 S29 단계에서 증류수, 유기용매, 결합제, 계면활성제와 혼합된다.
본 발명의 반도체 전극용 페이스트 조성물에 포함되는 물질 중에서 유기용매는 특별히 제한되지 않으며 공지된 유기용매를 이용할 수 있다. 다만 바람직하게는 99%의 에탄올과 아세틸아세톤, 터피네올, 부틸 카르비톨 등이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는 99%의 에탄올과 아세틸아세톤만을 사용하도록 한다.
또한 상기 결합제는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 및 프로필 셀룰로오스(propyl cellulose) 등을 사용할 수 있는데, 일 실시예로서 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG)을 사용하였다.
또 상기 계면활성제는, 트리톤 X-100, 로릴 산, 수산화 벤조산, 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있는데, 일 실시예로서 트리톤 X-100을 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서는, 희석용 산이 추가로 더 포함될 수 있으며, 산의 종류는 특별히 제한되지 않지만 질산을 사용할 수 있다.
상기 광촉매를 형성하는 방법에서 제시된 실험 조건을 기준으로 할 경우 광촉매를 이용한 반도체 전극용 페이스트 조성물의 다른 시약 비율은 다음의 표 1과 같이 정리하였다.
MAESO를 첨가한 기능기 부여 광촉매 입자 5.5g
H2O(증류수) 6.0mL
Ethanol 2.0mL
Acethylacetone 0.45mL
PEG(20000) 0.8g
Triton X-100 0.25mL
HNO3 1.0mL
상기 제시된 중량이나 부피의 수치는 이에 반드시 제한되는 것은 아니며 기능기가 증가된 본 발명의 광촉매가 포함된 반도체 전극용 페이스트를 조성하기 위한 물질의 종류와 혼합비를 제시한 일 실시예일 뿐이다.
상기의 표 1과 같이 MAESO를 첨가하여 기능기가 부여된 이산화티탄 광촉매 입자를 5.5g 내지 6.0g 분취하여, 바람직하게는 5.5g을 분취하여 50mL 용량의 세라믹 재질의 볼밀(ball mill) 반응조에 넣고 다른 시약을 순서대로 넣어 혼합한다. S30 단계에서 볼밀 반응조에서 알루미나 볼을 넣은 후 외부와 가스 유출입이 없도록 밀봉하여 24시간동안 광촉매 입자와 기타 시약들이 잘 섞이도록 볼밀한다.
볼밀 작업 후 본 발명의 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트가 제조되는데(S31), 제조된 페이스트는 밀봉이 가능한 용기에 취하여 암실에 보관하는 것이 바람직하다.
상기 과정을 통해 제작된 페이스트를 이용하여 염료감응형 태양전지를 제작한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 MAESO를 첨가하여 기능기가 증가된 광촉매를 이용한 염료감응형 태양전지는 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제, 희석용 산을 포함하는 페이스트 조성물이 도포된 반도체 전극과, 상기 반도체 전극에 대향하는 상대전극과, 상기 반도체 전극과 상대전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함한다.
상기 반도체 전극은 제 1 전도성 기판 상에 상기 제조된 페이스트 조성물을 도포 후 소성하여 제조한다. 제 1 전도성 기판은 도전성 물질인 투명 전도성 산화물이 도포된 유리 기판일 수 있다. 도포방법은 스크린 프린트(Screen printing) 방법을 이용한다. 즉 인쇄하고자 하는 패턴이 그려진 망사조직(스크린)위에 상기 페이스트 조성물을 도포하고 스퀴지(페이스트 조성물 도포 막대)로 상기 페이스트 조성물을 밀어서 패턴대로 인쇄한다.
다음으로 500℃에서 30분 정도 소성하여 반도체 전극(N형극, 광전극)을 형성한다. 상기와 같은 스크린 프린트(Screen printing)법은 양산성 및 경제성이 우수하여 대량 생산을 유도할 수 있으며, 미세 패턴 적용에도 적합하다. 본 발명의 페이스트 조성물은 상기 스크린 프린트법을 이용한 코팅시 조성 성분을 유지할 수 있어 염료감응 태양전지의 반도체 전극 재료로서 유용하게 이용될 수 있다. 상기 반도체 전극은 약 10 내지 20㎛ 두께로 형성 되는 것이 바람직하지만 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
다음으로 상기 반도체 전극이 코팅,소성되어 있는 제 1 전도성 유리 기판에 염료를 고정한다. 염료 감응형 태양전지에 이용되는 염료는 특별히 제한되지 않고 공지 기술의 염료 성분이면 모두 이용할 수 있다. 바람직하게는 루테늄 착제로 이루어진 염료 용액 내에서 24시간 이상 담가 상기 반도체 전극에 염료 분자층이 화학적으로 흡착되도록 한다. 본 발명의 반도체 전극은 MAESO 를 첨가하여 OH기능기가 증가된 광촉매를 이용한 것이므로 염료가 흡착될 수 있는 기능기 자리가 더 많이 생성된다.
다음으로 제 2 전도성 기판에 전기적 촉매층을 코팅하여 상대전극을 형성한다. 상기 상대 전극은 투명 전도성 산화물이 도포된 유리 기판에 백금, 탄소 등을 코팅하여 제조한다. 따라서 상기 상대 전극의 백금, 탄소 등의 전기적 촉매층은 반도체 전극과 대향되는 배치구조를 가진다. 반도체 전극과 상대 전극 사이에 고분자층을 놓고 상기 두 전극을 밀착시킨다. 이때, 열 및 압력을 가하여 상기 고분자층이 상기 두 전극의 표면에 강하게 부착되도록 한다
상기 두 전극이 부착된 후, 상대 전극에 형성된 미세 구멍을 통하여 전해질 용액을 채워 넣는다. 상기 전해질 용액은 요오드계 산화 환원 전해질을 사용할 수 있다. 상기 전해질 용액이 다 채워진 후, 얇은 유리와 고분자층을 순간적으로 가열함으로써 상기 미세 구멍을 막아 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 완성한다.
본 발명의 염료감응형 태양전지에 사용되는 상기 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판에 도포되는 투명 전도성 산화물층은 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 불소도핑산화주석(FTO) 등의 주석산화물일 수 있다.
염료감응형 태양전지의 광전극을 상기와 같은 방법으로 제조하고 이러한 과정을 포함하여 염료감응형 태양전지 셀을 제조한 후 종래 기술에 따른 광촉매를 사용하는 염료감응형 태양전지와 비교하였다.
도 3 내지 도 15는 종래기술에 따른 광촉매와 본 발명의 일 실시예에 따라 기능기가 증가된 광촉매를 가지는 염료감응형 태양전지의 물리,화학적 특성을 비교분석한 사진 또는 그래프이다.
이하, 도 3 내지 도 15에 표기된 기재방식은 MAESO의 첨가량에 따라 분류하여 임의 표기된 것이다.
즉, 분류된 표기는 종래기술에 따른 광촉매인 경우는 P-25로, MAESO를 첨가하지 않은 KM 550(광촉매 제조시 소성온도 550℃), MAESO를 0.5g 첨가하여 제조한 광촉매는 KMM 0.5, MAESO를 1.0g 첨가하여 제조한 광촉매는 KMM 1.0, MAESO를 2.0g 첨가하여 제조한 광촉매는 KMM 2.0으로 각각 표기하였다.
도 3은 종래기술에 따른 광촉매의 FE-SEM 분석 결과를 나타낸 사진이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 FE-SEM 분석 결과를 나타낸 사진이다.
상기 도 3과 도 4를 비교하면, P-25의 종래 광촉매의 경우 평균 입자 크기가 약 24nm로 나타나고, KM 550 및 KMM 광촉매들에서는 약 24nm 내지 26nm로 나타남으로서 종래의 광촉매에 비해 입자 크기가 약간 커짐을 알 수 있다.
구체적인 입경은 표 2에 나타내었다.
또한 종래의 P-25 광촉매와 KM 550 그리고 MAESO를 0.5g 첨가한 KMM 0.5 광촉매는 비슷한 크기와 형상으로 MAESO를 0.5g 첨가하였을 때 광촉매의 형태학적 변화는 비교적 안정함을 보였으나, MAESO의 첨가량이 증가할수록 광촉매의 입자들은 조밀한 구조로 변화되는 경향을 알 수 있다.
Sample Average particle size(nm)
P-25 24.0
KM 550 25.0
KMM 0.5 25.9
KMM 1.0 24.4
KMM 2.0 25.2
도 5는 종래기술에 따른 광촉매의 EDS 분석 결과를 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 EDS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5와 도 6에서 광촉매 입자 내의 황(S) wt%(weight percent) 변화 추이는 KM 550 광촉매의 경우 약 2.49wt% 로 가장 높은 값을 보였고, 다음으로 KMM 1.0 광촉매는 약 1.69wt%, KMM 0.5 광촉매에서는 약 1.56wt%, KMM 2.0 광촉매는 약 1.47wt% 순으로 나타났고, 하기와 같은 표 3을 얻을 수 있다.
P-25 KM 550 KMM 0.5 KMM 1.0 KMM 2.0
Element Wt% Am% Wt% Am% Wt% Am% Wt% Am% Wt% Am%
C - - - - 2.82 5.34 2.94 5.47 4.01 7.35
O 40.29 66.89 51.56 75.66 50.96 72.37 52.51 73.35 52.76 72.48
Ti 59.71 33.11 45.95 22.52 44.65 21.18 42.86 20.00 41.76 19.16
S - - 2.49 1.82 1.56 1.10 1.69 1.18 1.47 1.01
* Wt% : Weight percent, Am% : Atomic percent
도 7은 종래기술에 따른 광촉매의 X선 회절장치(X-Ray Diffractometer, XRD) 분석 결과를 나타내며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
하기의 표 4는 상기 X선 회절장치로 이산화티탄의 광촉매 구조를 분석하여 아나타제(Anatase)상과 루틸(Rutile)상의 상태 변화를 분석한 결과표이다. 이산화티탄 광촉매는 광 조사로 인해 메틸렌블루 해리와 접촉각의 감소로 특성이 평가되는데, 양호한 광촉매 특성을 가질수록 해리율이 높고 접촉각이 작은 특성을 지니며, 이러한 특성은 루틸상보다 아나타제상 박막이 낮은 밀도의 표면조직과 높은 표면 거칠기와 큰 표면적을 가지기 때문에 광촉매 특성이 우수하다고 판단된다. 따라서 광촉매의 X선 회절장치 분석결과가 루틸상 구조에서 아나타제상으로 상 변태되는 경우는 광촉매의 활성도가 향상된 것으로 파악할 수 있다.
표 4를 참조하여 알 수 있듯이, XRD 분석결과 Anatase와 Rutile 구조의 %비는 종래 광촉매 P-25에서는 약 80:20 의 비를 보였고, MAESO가 첨가되어 기능기가 증가된 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매에서는 약 95:5의 비율로 비슷한 값을 보였다. 즉, 광촉매 박막 형태의 결정구조가 루틸상에서 아나타제상으로 증가됨에 따라 광촉매의 활성도가 현저하게 향상된 것으로 파악할 수 있다.
도 7과 도 8을 비교하면 아나타제와 루틸의 존재 피크가 도 8의 본 발명의 실시예에 따른 광촉매에서 루틸의 존재 피크가 상대적으로 적게 현출됨을 알 수 있다. 도 8을 참조하면, 종래의 광촉매에 비해서 루틸 존재 피크가 적은 그래프이지만, MAESO의 중량을 달리하여 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 실험예들간에 비교할 경우 각 실험예들 간에는 존재 피크의 차이가 크게 나타나지 않고 비슷한 양상을 나타냄으로써 결정 구조의 변화가 없음을 알 수 있다.
광촉매 종류 Anatase Rutile
P-25 80.1 19.9
KM 550 95.5 4.5
KMM 0.5 95.9 4.1
KMM 1.0 95.1 4.9
KMM 2.0 95.4 4.6
하기의 표 5는 종래의 P-25 광촉매의 BET와 본 발명의 일 실시예에 따른 MAESO를 첨가하여 기능기가 증가된 광촉매들의 BET 분석결과를 나타낸 것이다. 표 5를 참조하면 P-25의 경우 BET Surface area가 약 54.3 m2/g으로 나타났고, MAESO 0.5g 를 첨가한 광촉매에서 표면적이 약 115.4 m2/g으로 가장 큰 값을 보였고, 이후 MAESO 첨가량을 증가시켰을 때 광촉매의 표면적은 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 종래의 P-25 광촉매보다 실험실 규모로 제조된 광촉매의 표면적(BET Surface area)이 약 2배 이상 커짐을 알 수 있다.
P-25 KM 550 KMM 0.5 KMM 1.0 KMM 2.0
BET Surface Area(m2/g) 54.3 111.1 115.4 111.8 110.1
Total Pore Volume(cm3/g) 0.104 0.159 0.203 0.199 0.160
Average Pore Diameter(nm) 7.661 5.727 7.134 7.019 5.826
도 9 및 도 11은 종래기술에 따른 광촉매의 XPS 분석 결과를 나타내며, 도 10 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 XPS 분석 결과를 나타낸다.
도 9와 도 10 및 도 11과 도 12에서 알 수 있듯이, 실험실 규모로 제조된 광촉매에 MAESO를 이용하여 기능기를 부여하더라도, 그 존재 피크는 Ti2p1과 Ti2p3, O1s와 C1S 그리고 S2p 등 5가지로서 MAESO의 영향에 의한 결합 피크 수는 변하지 않음을 알 수 있다.
또한, 실험실 규모로 제조된 광촉매에서의 존재 피크들의 결합에너지는 Ti2p1, Ti2p3, O1s, S2p 에서 각각 464.6eV, 459.0eV, 529.5eV, 169.0eV로 나타났고, MAESO를 첨가하여 기능기를 부여한 광촉매에서는 Ti2p1, Ti2p3, O1s, S2p 가 각각 464.0 ~ 464.7eV, 458.3 ~ 459.1eV, 529.2 ~ 529.6eV, 167.1 ~ 169.4eV로 나타남으로서 각 피크에 대한 결합에너지는 MAESO의 사용 여부에 상관없이 거의 변화가 없는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 하기의 표 6에 나타내었다.
Sample Ti (eV) O 1s (eV) S 2p (eV)
2p1 2p3
P-25 Binding energy 464.3 458.6 530.0 -
fwhm 2.36 1.37 2.36 -
KM 550 Binding energy 464.6 459.0 529.5 169.0
fwhm 2.43 1.55 2.72 2.57
KMM 0.5 Binding energy 464.0 458.3 529.6 167.1
fwhm 2.43 1.68 3.09 3.84
KMM 1.0 Binding energy 464.7 459.1 529.2 169.4
fwhm 2.31 1.38 2.74 2.76
KMM 2.0 Binding energy 464.6 458.9 529.6 169.0
fwhm 2.36 1.40 2.96 2.66
MAESO를 첨가하여 기능기(OH)의 부착량의 증감을 알아보기 위하여 O 1s를 세밀하게 분류하여 본 결과 하기의 표 7을 얻을 수 있고, 이를 참조하여 알 수 있듯이 실험실 규모로 제조된 광촉매에서는 전체 O 1s 중 O2-가 약 39.4%를 차지하였다. OH는 약 9.9%를 포함하고 있는 것을 알 수 있다. MAESO 0.5g 를 첨가하여 기능기를 부착한 광촉매에서는 O2-와 OH 가 각각 약 45.11%, 12.41%의 비율로 포함되어 있음을 알 수 있는데, 이러한 수치는 실험실 규모로 제조된 광촉매에 비해 O2-는 약 5.7%, OH는 약 2.5% 정도 증가된 것으로 MAESO 의 영향에 의한 기능기가 광촉매에 응착됨을 알 수 있다.
광촉매 종류 O 1s (eV)
bulk O2- O2-% OH OH%
P-25 Binding energy 530.0 45.9 531.8 4.4
fwhm 1.51 1.48
KM 550 Binding energy 530.5 39.4 532.0 9.9
fwhm 1.55 1.48
KMM 0.5 Binding energy 529.8 45.11 531.6 12.41
fwhm 1.97 1.74
KMM 1.0 Binding energy 530.5 39.0 532.0 12.41
fwhm 1.52 1.54
KMM 2.0 Binding energy 530.5 36.4 532.0 16.62
fwhm 1.46 1.60
기능기 각각의 결합 형태를 알아보기 위하여 실시한 FT-IR 분석 결과는 도 13에 나타내었다.
도 13에서 KM 550 광촉매와 MAESO를 0.5g 부터 2.0g까지 첨가하여 제조한 광촉매들의 wavenumber 는 대표적으로 약 3412 cm-1에서 O-H bond를 볼 수 있으며, 1715 cm-1에서 C=O bond, 1379 cm-1에서 C-O bond기를 볼 수 있다. 여기서 O-H bond는 OH 기를 의미하며, C=O bond와 C-O bond는 카르복실기로 해석할 수 있으며, 이러한 결과로부터 염료의 흡착량 증대와 생성된 전자의 흐름을 원활하게 하여 Isc(단락전류)의 증가를 예상해볼 수 있다. 즉, MAESO를 0.5g 부터 2.0g까지 증가하여 제조한 광촉매일수록 C=O bond와 C-O bond 피크가 많이 존재하므로 카르복실기를 점점 많이 가지게 됨을 알 수 있으며, 이로 인해 염료의 흡착량이 증가되고 있음을 알 수 있다.
FT-IR 분석을 통하여 MAESO 의 광촉매에 대한 영향력은 MAESO의 첨가량이 증가할수록 O-H bond, C=O bond와 C-O bond의 absorbance가 증가하는 경향을 나타냄으로서 XPS 결과와 일치함을 알 수 있다.
P-25의 종래 광촉매와, KM 550 광촉매 그리고 MAESO를 0.5g 부터 2.0g까지 첨가하여 제조한 광촉매를 이용하여 염료감응형 태양전지의 반도체전극, 즉 N형극을 제조하여 기능기에 의한 실질적 염료의 흡착량 변화를 알아보기 위하여 N형극의 광촉매 코팅 필름 면적을 약 0.25cm2 부터 2.0cm2까지로 조절한 후, 염료에 약 24시간동안 담궈 광촉매 코팅 필름에 염료의 흡착을 유도하였고 염료 흡착 결과를 도 14에 나타내었다.
도 14는 종래기술에 따른 광촉매와 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 염료 흡착 실험 결과를 나타낸 그래프인데, 도 14를 참조하면, 하기의 표 8을 얻을 수 있는데, 분석 결과 코팅 필름 면적이 약 0.25cm2의 경우 KM 550광촉매에서는 약 3%의 염료 흡착량을 보였고, KMM 0.5 와 KMM 1.0, KMM 2.0 광촉매에서의 염료의 흡착량은 각각 약 5%, 6%,7%로 MAESO의 첨가량이 증가할수록 염료의 흡착량도 증가하는 것으로 나타났고, 각각의 다른 코팅 필름 면적에서 MAESO 첨가량에 따른 염료흡착 경향은 필름의 면적 0.25 cm2의 경우와 동일한 경향을 보임을 알 수 있다.
Film area(cm2) Adsorption (%)
P-25 KM 550 KMM 0.5 KMM 1.0 KMM 2.0
0.25 3 3 5 6 7
0.5 5 8 12 12 13
1.0 10 14 19 18 19
2.0 13 28 30 33 32
도 15는 종래기술에 따른 광촉매와 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 I-V curve 분석 결과를 나타내었다. 코팅 필름 면적을 0.25cm2으로 동일하게 하여 염료감응 태양전지 단위셀을 제작한 후 에너지 변환 효율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 15를 참조하면 I-V curve 분석결과 동일 코팅 필름 면적에서 염료 감응형 태양전지의 효율은 KM 550 광촉매에서 약 6.28%로 나타났고, KMM 0.5 광촉매에서는 약 8.76%, KMM 1.0 광촉매에서는 약 7.86%, KMM 2.0 에서는 약 7.52%로 측정되었다. 이러한 결과는 종래의 P-25 광촉매와 MAESO를 넣지 않은 KM 550 광촉매에 비해 MAESO를 첨가하여 제조한 염료감응형 태양전지 단위셀이 높은 에너지 변환효율을 보인 것을 알 수 있다.
도 15의 I-V curve 분석결과를 이하 표 9에서 정리하였다.
Sample
 Isc(mA/cm2)
 Voc(V)
 FF(Fill Factor) η(%)
P-25 18.28 0.68 0.56 6.96
KM 550 17.92 0.68 0.52 6.28
KMM 0.5 24.91 0.66 0.53 8.76
KMM 1.0 24.11 0.63 0.51 7.86
KMM 2.0 22.05 0.65 0.52 7.52
상기 표 9를 참조하면 각각의 광촉매에서 개방전압(Voc)의 변화는 양ㄱ 0.63V에서 0.68V로 비슷한 값을 보였으나, 단락전류밀도(Isc)는 KM 550 광촉매가 약 17.92mA/cm2인데 비하여 KMM 0.5 광촉매가 약 24.91mA/cm2, KMM 1.0 광촉매가 약 24.11mA/cm2, KMM 2.0 광촉매가 약 22.05mA/cm2 로 각각 MAESO를 첨가하지 않은 KM 550 광촉매에 비해 높은 것을 알 수 있다.
이러한 결과는 MAESO에 의해 광촉매 표면에 형성된 기능기에 의해서 염료의 흡착량 증가에 의한 전자의 재결합을 억제시켜 전류의 흐름을 원활히 한 것을 알 수 있다.
그러나 MAESO의 첨가량 변화에 따른 염료감응형 태양전지의 단위셀의 에너지 변환 효율은 MAESO 첨가량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었고, 이는 과잉의 기능기에 의해 방해 작용으로 전자의 재결합이 미미하게 증가되어 단락전류밀도 값을 감소시킨 것으로 해석할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매에서 요구되는 MAESO의 첨가량은 MAESO와 이산화티탄의 중량비가 0.25~1:5 가 되도록 조절되는 것이 바람직할 것이다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 제조방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물 제조방법을 나타낸 흐름도.
도 3은 종래기술에 따른 광촉매의 FE-SEM 분석 결과를 나타낸 사진.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 FE-SEM 분석 결과를 나타낸 사진.
도 5는 종래기술에 따른 광촉매의 EDS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 EDS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 종래기술에 따른 광촉매의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 9 및 도 11은 종래기술에 따른 광촉매의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 10 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 종래기술에 따른 광촉매와 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 염료 흡착 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 15는 종래기술에 따른 광촉매와 본 발명의 일 실시예에 따른 기능기가 증가된 광촉매의 I-V curve 분석 결과를 나타낸 그래프.

Claims (30)

  1. 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2)을 포함하는 광촉매.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 MAESO와 이산화티탄의 중량비는 0.25~1:5 인 것을 특징으로 하는 광촉매.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광촉매의 표면적은 100 ~ 120 m2/g인 것을 특징으로 하는 광촉매.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광촉매는 광촉매의 전체 중량 대비 1.4 내지 2.5 중량%의 황 함유량을 가지는 것을 특징으로 하는 광촉매.
  5. 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO)를 유기용매에 용해한 MAESO 용액에 나노입자 이산 화티탄(TiO2)을 혼합하여 교반하는 단계; 및
    상기 교반액을 원심분리한 슬러지를 소성하고 파쇄하는 단계를 포함하는 광촉매의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유기용매는 아세틸아세톤(acethylaceton)인 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 MAESO 용액의 농도는 0.5x10-2 ~ 5x10-2 mole/L인 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 MAESO 용액의 MAESO와 나노입자 이산화티탄(TiO2)의 중량비는 0.25~1:5 인 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 교반하는 단계는,
    10 ~ 20분동안 급속교반하는 단계;
    상기 급속교반 후 증류수(H2O)를 첨가한 후 24 ~ 48 시간동안 완속교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 슬러지를 소성하는 단계는,
    80 ~ 100℃ 에서 10 ~ 15시간 건조한 후 300 ~ 500℃ 에서 10 ~ 30분간 소성하는 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 파쇄 단계 후의 광촉매 입자의 입경은 10 ~ 50nm 인 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
  12. 제 5항에 있어서,
    상기 파쇄 단계 후의 광촉매의 표면적은 100 ~ 120 m2/g인 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
  13. 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제를 포함하는 염료감응형 태양 전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 유기용매는 에탄올(ethanol), 아세틸아세톤(acethylacetone), 터피네올, 부틸 카르비톨 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 결합제는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 및 프로필 셀룰로오스(propyl cellulose) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 계면활성제는, 트리톤 X-100, 로릴 산, 수산화 벤조산, 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 MAESO 분자와 나노입자 이산화티탄(TiO2)의 중량비는 0.25~1:5 인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 MAESO 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2)의 중량비는 전체 페이스트 조성물의 중량 대비 32 ~ 36중량% 인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 페이스트 조성물은 희석용 산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물.
  20. 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO)를 아세틸아세톤(acethylacetone)에 용해한 MAESO 용액에 나노입자 이산화티탄(TiO2)을 혼합하여 교반하는 단계;
    상기 교반액을 원심분리한 슬러지를 소성하고 파쇄하여 나노입자의 광촉매를 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 광촉매와, 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제, 희석용 산을 밀봉된 공간에서 24 ~ 48시간동안 분쇄 및 혼합하는 단계 를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 분쇄 및 혼합하는 단계는, 분쇄기에 상기 형성된 광촉매, 증류수, 에탄올, 아세틸아세톤, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 트리톤 X-100, 질산(HNO3)을 순서대로 넣고 밀봉상태로 24 ~ 48시간동안 분쇄하면서 혼합하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물 제조방법.
  22. 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제, 희석용 산을 포함하는 페이스트 조성물이 도포된 반도체 전극;
    상기 반도체 전극에 대향하는 상대전극;
    상기 반도체 전극과 상대전극 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하는 염료감응형 태양전지.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 반도체 전극과 상대전극은 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide)이 코팅된 투명 기판 위에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태 양전지.
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 상대전극은 전해질 용액과 인접하는 내부면에 전기적 촉매층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 전기적 촉매층은 백금(Pt) 또는 탄소(C)인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  26. 제 1 전도성 기판 상에, 적어도 하나 이상의 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 유기용매, 결합제, 계면활성제, 희석용 산을 포함하는 페이스트 조성물을 코팅하고 소성하는 단계;
    상기 코팅,소성된 제 1 전도성 기판에 염료를 고정하여 반도체 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 2 전도성 기판에 전기적 촉매층을 코팅하여 상대전극을 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 전극과 상기 상대전극 사이에 전해질 용액을 가하고 밀봉하는 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 페이스트 조성물을 코팅하는 방법은 스크린 프린팅(Screen printing)법인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  28. 제 26항에 있어서,
    상기 페이스트 조성물은 말레인화된 아크릴 에폭시 대두유 공중합체(Maleinized acrylated epoxidized soybean oil, MAESO) 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2), 증류수(H2O), 에탄올, 아세틸아세톤, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 트리톤 X-100, 질산(HNO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  29. 제 26항에 있어서,
    상기 페이스트 조성물의 나노입자 이산화티탄(TiO2)의 중량비는 전체 페이스트 조성물의 중량 대비 32 ~ 36중량% 인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  30. 제 26항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판은 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 불소도핑산화주석(FTO)이 도핑된 투명기판인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
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