KR101117690B1 - 코어쉘 구조의 금속 산화물을 포함하는 광흡수층 및 이를구비한 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코어쉘 구조의 금속 산화물을 포함하는 광흡수층 및 이를 구비한 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로는 전자 이동 경로를 개선하여 광전 효율을 향상시킨 코어쉘 구조의 금속 산화물을 포함하는 광흡수층 및 이를 구비한 태양전지에 관한 것이다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 코어-쉘 구조의 금속 산화물 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 코어-쉘 구조를 갖는 금속 산화물 구조를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 반도체 전극, 11: 전도성 투명기판, 12: 광흡수층, 12a: 금속 산화물, 12b: 염료, 13: 전해질층, 14: 대향 전극
본 발명은 코어쉘 구조의 금속 산화물을 포함하는 광흡수층 및 이를 구비한 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로는 전자 이동 경로를 개선하여 광전 효율을 향상시킨 코어쉘 구조의 금속 산화물을 포함하는 광흡수층 및 이를 구비한 태양전지 에 관한 것이다.
최근 들어 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다. 이들 중 태양 에너지를 이용한 태양 전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양전지가 각광을 받고 있다.
그러나 이와 같은 실리콘 태양전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작 비용이 현저히 저렴한 염료 감응형 태양 전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.
염료 감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료 감응 태양전지 중 대표적인 예로는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 발표된 것이 알려져 있다. 그라첼 등에 의한 태양전지는 염료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 대향 전극(백금 전극), 및 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 이 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체 할 수 있는 기능성이 있다는 점에서 주목을 받아왔다.
이와 같은 염료감응 태양전지의 구조를 도 1에 나타낸다. 도 1을 참조하면, 염료감응 태양전지는 반도체 전극(10), 전해질층(13) 및 대향전극(14)을 포함하며, 상기 반도체 전극은 전도성 투명기판(11) 및 광흡수층(12)으로 이루어진다. 즉 반도체 전극(10) 및 대향전극(14) 사이가 전해질층(13)으로 채워져 있는 구조를 갖게 된다.
상기 광흡수층(12)은 일반적으로 금속 산화물(12a) 및 염료(12b)를 포함하여 형성된다. 상기 염료(12b)는 S, S*, S+로 나타낼 수 있으며, 각각 중성, 전이상태 및 이온 상태를 나타내는 바, 태양빛이 흡수되면 염료 분자는 기저상태(S/S+)에서 여기 상태(S*/S+)로 전자 전이하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 이루며, 여기상태의 전자(e-)는 상기 금속 산화물(12a)의 전도대(Conduction Band, CB)로 주입되어 기전력을 발생하게 된다.
그러나 여기상태의 전자가 모두 상기 금속 산화물(12a)의 전도대로 이동하는 것이 아니고 다시 염료 분자와 결합하여 기저상태로 돌아가거나, 전도대로 이동한 전자가 다시 전해질 내의 산화 환원 커플과 결합하는 등의 역반응(Recombination reaction)이 발생하여 광전효율을 저하시킴으로써 기전력을 감소시키는 원인이 되고 있다.
이를 개선하기 위하여 상기 금속 산화물(12a)의 표면에 보호막을 형성하여 역반응을 억제하고자 하는 시도가 있어 왔으며, 이를 위해 코어-쉘 구조를 갖는 금 속 산화물(12a)을 형성하게 되었다. 그러나 이 경우 가장 큰 문제점으로는 상기 코어-쉘을 구성하는 산화물에 이종 산화물을 사용함으로써 외부의 쉘을 통하여 중심 코어로 전자가 이동시 두 계면 사이의 접촉력 문제로 인한 인터페이스 저항 증가로 전자 이동이 용이하지 않다는 것이다. 즉 종래의 보호막은 도 2에 나타낸 바와 같이, 보호막(쉘)이 형성된 코어 입자를 사용하여 산화물층을 형성함으로 인하여 염료분자에서 발생한 전자가 전도성 투명기판으로 이동하기 위해서는 쉘-코어-쉘-코어의 순서로 이동해야 하므로 각각의 계면 이동시 계면 저항으로 인해 전자 이동이 용이하지 않다는 문제가 있다.
더욱이 상기 보호막(쉘)에 사용된 산화물의 저항이 코어 입자보다 낮고, 이로 인해 전해질층과의 반응성이 오히려 좋아져 보호막의 주목적인 상기 역반응을 억제하는 역할이 미흡하다는 문제도 아울러 갖게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 역반응을 억제하면서도 광전 효율이 개선된 광흡수층을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 광흡수층을 채용한 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
금속 산화물 코어 매트릭스; 및
상기 매트릭스 상에 형성된 보호층;을 포함하는 광흡수층을 제공한다.
상기 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물로서는 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 텅스텐, 스트론슘 산화물, 티타늄 스트론슘 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 틴 산화물 등으로 이루어진 금속 산화물 군에서 선택되는 1 종 이상을 사용할 수 있으며, 이들 중 티타늄 산화물, 또는 틴 산화물이 바람직하고, 이산화티탄 또는 이산화주석이 더욱 바람직하다.
상기 보호층을 형성하는 금속 산화물로서는 상기 코어 매트릭스의 금속 산화물과 결정구조가 상이한 동종의 금속 산화물이 바람직하며, 상기 코어 매트릭스의 금속 산화물보다 저항이 높거나 포텐셜이 높은 금속 산화물이 보다 바람직하다. 예를 들어 상기 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물이 루타일형 이산화티탄인 경우, 상기 보호층을 형성하는 금속 산화물로서는 아나타제형 이산화티탄 혹은 비정질 이산화티탄을 사용할 수 있으며, 상기 코터 매트릭스를 형성하는 금속 산화물이 아나타제형 이산화티탄인 경우, 상기 보호층을 형성하는 금속 산화물로서는 비정질 금속 산화물을 사용할 수 있다.
상기 보호층의 두께는 약 200nm 이하가 바람직하다.
상기 보호층 상에는 염료분자가 흡착되어 염료층을 더 형성할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 전도성 투명기판 및 상술한 광흡수층을 구비하는 반도체 전극을 제공한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 전도성 투명기판, 상술한 광흡수층, 전해질층 및 대향전극을 구비하는 염료 감응 태양전지를 제공한 다.
이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 광흡수층은 광전 효율을 향상시키기 위해서 코어-쉘 구조로 금속 산화물층을 형성하는데 있어서, 우선 코어 입자만으로 매트릭스를 형성한 후, 보호층을 쉘 형태로 그 외곽에 형성한 이중층 구조를 갖게 된다. 이와 같은 구조는 도 3에 도시한 바와 같이, 기판 상에 금속 산화물로 된 코어 매트릭스를 우선적으로 형성하여 소결체 형태의 금속 산화물층을 형성한 후, 그 위에 쉘 형태의 보호층을 형성하게 된다.
이와 같은 구조를 갖는 광흡수층에서는 외부에서 주입된 전자가 코어로 주입된 후, 보호층과의 접촉 계면없이 광 흡수층 내부에서 코어 매트릭스를 구성하는 금속 산화물을 따라 이동하는 것이 용이해진다. 즉 도 2에 나타낸 바와 같은 종래의 코어-쉘 구조에서 필연적으로 발생하는 양 계면 사이의 접촉력 문제로 인한 인터페이스 저항이 거의 발생하지 않아 전극까지의 전자 이동이 용이해진다는 것이다.
더불어 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물이 쉘 형태의 보호층으로 피복됨에 따라 전해질층에 노출되지 않게 되고, 그에 따라 전자가 전해질층으로 다시 돌아가는 역반응(recombination reaction)을 최대한 억제할 수 있게 된다. 이와 같은 역반응은 광전 효율을 저해하는 요소이므로 이와 같은 억제 과정을 통해 광전 효율을 보다 개선하는 것이 가능해진다.
본 발명에서는 상기 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물은 반도체 미립자 로서 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등을 사용할 수 있다. 이들 금속 산화물은 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하다. 구체적으로 예시하면 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 텅스텐 산화물, 스트론슘 산화물, 티타늄 스트론슘 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 틴 산화물 등으로 이루어진 금속 산화물 군에서 선택되는 1 종 이상을 사용할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 TiO2(이산화티탄), SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3 등을 예로 들 수 있으며, 특히 바람직하게는 아나타제형 또는 루타일형의 TiO2이다. 또한 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 반도체 미립자의 입경이 5 내지 30nm 정도로 되는 것이 바람직하다.
상기 금속 산화물을 사용하여 코어 매트릭스를 형성하기 위해서는 금속 산화물 전구체를 용매에 녹여 페이스 또는 용액을 제조한 후, 이를 기판에 도포 및 소성하여 나노입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 소성물 형태로 얻게 된다.
상기 금속 산화물 전구체로서는 전이금속의 알콕사이드 화합물, 할로겐화물, 질화물 또는 전이금속 분말 등을 예로 들 수 있으며, 구체적으로 티타늄 산화물의 경우에는 티타늄(IV) 이소프로폭사이드, 또는 티타늄 산화물 분말을 예로 들 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 용매로서는 아세트산과 같은 산용액, 터피네올, 에탄올 등을 예로 들 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 소성은 약 100℃ 정도에서 1 내지 10시간 건조한 후 400 내지 550℃에서 0.1 내지 2시간 동안 가열하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 이와 같이 형성된 금속 산화물 코어 매트릭스 상에 쉘 형태의 보호층을 형성하게 된다. 이와 같은 보호층은 이미 상술한 바와 같이 상기 코어를 전해질층과 분리시켜 역반응을 억제하도록 하며, 특히 금속 산화물 입자의 각 표면에 개별적으로 형성되는 것이 아니라, 도 3에 나타낸 바와 같이 소성물인 금속 산화물의 코어 매트릭스의 외곽을 전체적으로 피복하여 보호층과 코어입자와의 계면 접촉을 최소화시켜 인터페이스 저항을 감소시키게 된다. 이와 같이 감소된 인터페이스 저항으로 인해 전해질층에서 코어 입자로 주입된 전자가 전극으로의 이동하는 것이 종래의 코어-쉘 형태의 구조를 갖는 금속 산화물층보다 용이해진다.
이와 같은 보호층으로서는, 상술한 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물과 동종 또는 이종의 금속 산화물을 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 동종의 금속 산화물을 사용할 수 있다. 동종의 산화물을 사용하는 경우에는 결정 구조가 상이한 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 특히 상기 코어 매트릭스의 금속 산화물보다 저항이 높거나 포텐셜이 높은 금속 산화물이 바람직하다.
예를 들어 티타늄 산화물로서 이산화티탄(TiO2)을 사용하는 경우, 그 결정구 조는 루타일형, 아나타제형, 비정질형 등이 알려져 있으며, 코어 매트릭스로서 루타일형 이산화티탄을 사용하는 경우 그 보호층으로서는 아나타제형 또는 비정질형의 이산화티탄을 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 루타일형 이산화티탄보다 아나타제형 및 비정질형 이산화티탄의 저항값이 높아서 이들을 보호층으로서 사용하는 것이 전해질층과 반응성을 억제하는데 보다 유리하기 때문이다. 아나타제형 및 비정질형 이산화티탄의 경우, 아나타제형 이산화티탄의 저항값이 비정질형 이산화티탄에 비해 낮으므로, 아나타제형 이산화티탄을 코어 매트릭스로서 사용하는 경우에는 보호층으로서는 비정질형 이산화티탄을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 보호층은 상기 코어 매트릭스를 형성한 후, 보호층용 금속 산화물 전구체를 포함하는 페이스트 또는 용액을 스핀코팅, 스프레이코팅, 스크린 인쇄 등의 방법으로 상기 코어 매트릭스 상에 도포한 후 이를 소성하여 얻어진다. 이와 같은 보호층은 두께가 약 200nm 이하인 것이 바람직하며, 5nm 내지 200nm가 더욱 바람직하다. 상기 보호층의 두께가 200nm를 초과하는 경우 코어로의 전자 주입이 곤란할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 광흡수층은 염료 입자를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 염료 입자는 상기 보호층의 표면 상에 흡착되어 형성되며, 이들은 광을 흡수함으로써 기저상태(S/S+)에서 여기 상태(S*/S+)로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 이루게 되며, 여기상태의 전자(e-)는 상기 보호층을 통과하여 금속 산화물 코어 매트릭스의 전도대로 주입된 후 전극으로 이동하여 기전력을 발생하게 된다.
이와 같은 염료로서는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 그렇지만 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 루테늄 착물 이외에도 예를 들어 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 루테늄 착물로서는 RuLL'(SCN)2, RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL
3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식중 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트를 나타낸다).
상기 본 발명에 따른 광흡수층은 역반응이 억제되고, 전자의 전극으로의 이동이 용이해져 염료감응 태양전지에 사용되는 경우 광전 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 광흡수층(12)을 구비한 염료 감응 태양전지의 예를 도 1에 도시하였다. 이와 같은 태양전지는 반도체 전극(10), 전해질층(13) 및 대향 전극(14)을 구비하며, 상기 반도체 전극(10)은 전도성 투명기판(11) 및 광흡수층(12)으로 이루어지고, 상술한 바와 같이 상기 광흡수층(12)은 본 발명에 따른 금속 산화물 코어 매트릭스 및 보호층(12a)을 포함하며, 필요시 염료(12b)를 더 포함한다.
상기 전도성 투명기판(11)에 사용되는 투명기판으로서는 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 유리 기판 등을 사용할 수 있다. 상기 투명기판에 전도성을 부여하기 위한 재료로서는 도전성 및 투명성을 갖고 있는 것이면 어떠한 것이라도 채용할 수 있지만, 도전성, 투명성, 특히 내열성을 높은 수준으로 갖는 다는 측면에서는 주석계 산화물(예를 들어 SnO2) 등이 적합하고, 비용적인 측면에서는 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 바람직하다.
상기 금속 산화물 코어 매트릭스 및 보호층(12a)을 포함하는 광흡수층(12)의 두께는 30㎛ 이하, 바람직하게는 10 내지 20㎛이 좋다. 왜냐하면 이 광흡수층은 그 구조상의 이유에서 직렬저항이 크고, 직렬저항의 증가는 변환효율의 저하를 초래하는 바, 막 두께를 30㎛ 이하로 형성함으로써 그 기능을 유지하면서 직렬저항을 낮게 유지하여 변환효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
상기 전해질층(13)은 전해액으로 이루어지고, 상기 광흡수층(12)을 포함하거나, 또는 전해액이 광흡수층(12)에 침윤되도록 형성된다. 전해액으로서는 예를 들면 요오드의 아세토나이트릴 용액, NMP용액, 3-메톡시프로피오나이트릴 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 대향전극(14)은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하나, 절연성의 물질이라도 반도체 전극에 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면, 이것도 사용 가능하다. 단, 전기화학적으로 안정한 재료를 전극으로서 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 백금, 금, 및 카본 등을 사용하는 것이 바람직 하다. 또한 산화환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 반도체 전극과 마주보고 있는 측은 미세구조로 표면적이 증대하고 있는 것이 바람직하며, 예를 들어 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본 미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한 없이 사용할 수 있다.
이하에서 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
에탄올에 5㎛ 이하의 크기를 갖는 TiO2 분말(Aldrich, 22422-7, Titanium Oxide) 10g을 분산시킨 후 22.4g의 터피네올과 혼합하여 용액을 만들고, 에탄올에 2.5g의 에틸 셀룰로스를 혼합하여 용액을 만들었다. 이 두 용액을 혼합한 후 회전 증발기를 사용하여 에탄올과 물을 증발시켜 최종 조성이 TiO2 28.6중량%, 에틸 셀룰로스 7.2중량%, 터피네올 64.2중량%의 페이스트 용액을 만들었다. 이를 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 코팅되어 있고 투과율이 80%인 투명 전도성 유리기판 상에 스크린 인쇄한 후 100℃에서 6시간 건조한 후 500℃에서 1시간 열처리하여 유기 고분자를 제외하고 나노 입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 표면에 약 6 ㎛ 두께의 루타일 이산화티탄층이 형성된 전도성 투명 기판을 10㎛의 두께로 얻었다.
테트라이소프로필티타네이트(tetraisopropyltitanate) 10g을 이소프로필 알코올에 녹여 상기 전도성 투명기판 상에 스핀 코팅법으로 도포한 후 약 150℃의 온도에서 15분 동안 순환식 오븐(convection oven)에서 가열하여 상기 루타일 이산화티탄의 외부에 비정질형 이산화티탄을 평균 약 50nm의 두께로 피복하여 보호층을 형성하였다.
이어서 상기 코어 매트릭스 및 보호층이 형성된 전도성 투명 기판을 0.3mM 농도를 갖는 루테늄 디티오시아네이트 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 용액에 24시간 동안 침지한 후 건조시켜 염료를 상기 기판 상에 흡착시킴으로써 반도체 전극을 제조하였다.
이와는 별도로 ITO가 코팅된 전도성 투명 유리 기판 표면 상에 백금을 코팅하여 대향전극을 제조하였다. 이어서 양극인 대향전극과 음극인 상기 반도체 전극을 조립하였다. 양 전극을 조립할 경우에는 양극 및 음극에서 전도성 표면이 전지 내부로 오도록 하여 상기 백금층과 상기 광흡수층이 서로 대향하도록 한다. 이때 양극 및 음극 사이에 SYRLYN (Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 40㎛ 두께의 고분자를 놓고 약 100 내지 140℃의 가열판 상에서 약 1 내지 3기압으로 상기 두 전극을 밀착시켰다. 열 및 압력에 의하여 상기 고분자가 상기 두 전극의 표면에 밀착되었다.
다음으로 상기 양극의 표면에 형성된 미세 구멍을 통하여 상기 두 전극 사이 의 공간에 전해질 용액을 충진하여 본 발명에 따른 염료 감응 태양전지를 완성하였다. 상기 전해질 용액은 0.6M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드 (1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드), 0.2M LiI, 0.04M I2 및 0.2M 4-tert-부틸 피리딘(TBP: 4-tert-부틸피리딘)을 아세토나이트릴에 용해시킨 I3
-/I-의 전해질 용액을 사용하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 비정질형 이산화티탄을 보호층으로서 사용한 것 대신에 아나타제형 이산화티탄을 보호층으로서 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 목적하는 염료감응 태양전지를 제조하였다.
상기 아나타제형 이산화티탄을 보호층으로 형성한 방법으로서는, 에탄올에 20 내지 30nm 크기의 TiO2 5g을 분산시킨 후 터피네올 49g과 혼합하여 용액을 만들고, 에틸셀룰로오스 2.8g을 에탄올로 용해한 용액과 혼합한 후, 회전 증발기를 사용하여 물과 에탄올을 증발시켰다. 이렇게 만들어진 페이스트의 최종 조성은 TiO2 16.2중량%, 에틸 셀룰로오스 4.5중량%, 터피네올 79.3중량%로 구성되었으며, 이를 상기 루타일 이산화티탄층이 형성된 전도성 투명 기판 상에 스핀 코팅법으로 도포한 후 약 500℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하여 상기 루타일 이산화티탄의 외부에 아나타제형 이산화티탄을 평균 약 50nm의 두께로 피복하여 보호층을 형성하였다.
비교예 1
5㎛ 이하의 크기를 갖는 TiO2 분말(Aldrich, 22422-7, Titanium Oxide) 2.5g과 에탄올에 평균 약 20 내지 30nm 크기의 TiO2 2.5g을 분산시킨 후 터피네올 49g과 혼합하여 용액을 만들고, 에틸 셀룰로스 2.8g을 에탄올로 용해한 용액과 혼합한 후, 회전 증발기를 사용하여 물과 에탄올을 증발시켰다. 이렇게 만들어진 페이스트의 최종 조성은 TiO2 16.2중량%, 에틸 셀룰로오스 4.5중량%, 터피네올 79.3중량%로 구성되었다. 이를 이를 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 코팅되어 있고 투과율이 80%인 투명 전도성 유리기판 상에 스크린 인쇄한 후 100℃에서 3시간 동안 건조하였다.
이후 공정은, 상기 실시예 1에서 보호층 형성 공정을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1과 2 및 비교예 1에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 측정하기 위하여 광전압 및 광전류를 측정하였다.
광원으로는 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG 필터)를 사용하여 보정하였다. 측정된 광전류전압 곡선으로부터 계산된 전류밀도(Isc), 전압(Voc), 및 충진 계수(fill factor, FF)를 사용하여 얻은 광전환 효율(η e)을 하기 표 1에 나타내었다. 광전환 효율 계산식은 다음과 같다.
ηe = (VocIscFF) / (Pinc)
식중, Pinc는 100mw/cm2 (1sun)을 나타낸다.
구분 | 광전환효율 (%) |
실시예 1 | 4.9 |
실시예 2 | 4.8 |
비교예 1 | 3.4 |
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 광흡수층 및 이를 구비한 염료감응 태양전지는, 금속 산화물의 표면 상에 보호층을 형성함으로써 역반응을 억제함과 동시에 전자의 이동을 용이하게 함으로써 전체적인 광전환 효율의 향상이 이루어졌음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 코어쉘 구조의 금속 산화물을 포함하는 광흡수층은 코어 매트릭스인 금속산화물의 표면을 보호층인 금속산화물로 피복함으로써 역반응을 억제하고, 전자의 이동을 보다 용이하게 하여 광전환 효율을 개선함으로써 염료감응 태양 전지 등에 유용하게 사용할 수 있다.
Claims (17)
- 서로 접촉하는 금속 산화물 입자를 포함하는 금속 산화물 코어 매트릭스; 및상기 코어 매트릭스 상에 형성된 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물이 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 텅스텐, 스트론슘 산화물, 티타늄 스트론슘 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 및 틴 산화물로 이루어진 금속 산화물 군에서 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물이 이산화티탄 또는 이산화주석인 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 보호층을 형성하는 금속 산화물이 상기 코어 매트릭스의 금속 산화물과 결정구조가 상이한 동종의 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 보호층의 저항값이 상기 코어 매트릭스의 저항값보다 높은 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 보호층의 포텐셜이 상기 코어 매트릭스의 포텐셜보다 높은 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물이 루타일형 이산화티탄인 경우, 상기 보호층을 형성하는 금속 산화물이 아나타제형 이산화티탄 또는 비정질 이산화티탄인 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 코어 매트릭스를 형성하는 금속 산화물이 아나타제형 이산화티탄인 경우, 상기 보호층을 형성하는 금속 산화물이 비정질 이산화티탄인 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 보호층의 두께가 5nm 내지 200nm인 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 제1항에 있어서,상기 보호층의 표면 상에 흡착된 염료 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광흡수층.
- 금속 산화물 전구체를 용매에 녹여 금속 산화물 페이스트 또는 용액을 제조하는 단계;상기 금속 산화물 페이스트 용액을 기판에 도포 및 소성하여 서로 접촉하는 금속 산화물 입자를 포함하는 금속 산화물 코어 매트릭스를 형성하는 단계; 및보호층용 금속 산화물 전구체를 포함하는 페이스트 또는 용액을 상기 코어 매트릭스 상에 도포한 후 이를 소성하여 상기 코어 매트릭스의 외곽에 배치된 보호층을 형성하는 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 보호층을 형성하는 금속 산화물이 상기 코어 매트릭스의 금속 산화물과 결정구조가 상이한 동종의 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
- 전도성 투명기판; 및제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 광흡수층을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제13항에 있어서,상기 광흡수층의 두께가 10㎛ 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 전도성 투명기판;제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 광흡수층;전해질층; 및대향전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제15항에 있어서,상기 광흡수층의 두께가 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제15항에 있어서,상기 전해질층이 요오드계 전해질 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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