KR101127910B1 - 염료감응형 태양전지용 전극기판과 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 염료감응형 태양전지용 전극기판으로서, 기판과, 상기 기판 상에 형성하되, 산화아연에 갈륨이 도핑된, 투명전도성막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판을 제공한다. 또한, 본 발명은, 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판을 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다. 또한, 본 발명은, 상기 염료감응형 태양전지의 제조방법으로서, 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판 상에 3~100nm의 평균 입경을 갖는 TiO₂를 코팅하는 단계와, 상기 TiO₂가 코팅된 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판을 120~550℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조방법을 제공한다.

Description

염료감응형 태양전지용 전극기판과 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법{ELECTRODE PLATE AND DYE-SENSITIZED SOLAR CELL HAVING THE SAME AND ITS FABRICATION METHOD}

본 발명은 염료감응형 태양전지용 전극기판과 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 갈륨이 도핑된 산화아연 투명전도성막을 갖는 전극기판과 이를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 염료감응형 태양전지의 일반적 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도시한 바와 같이, 염료감응형 태양전지는 전면 전극기판(10), 차단층(20), 염료/티타니아층(30), 전해질(40), 상대 전극기판(50)을 포함한다.

전면 전극기판(10)은 유리 또는 플라스틱 기판(11) 상에 투명전도성막(13)이 형성된 구조를 갖는다.

차단층(20)은 전면 전극기판(10)과 염료/티타니아층(30) 간의 접착력 항상의 역할과, 전해질(40)이 전면 전극기판(10)에 직접 닿는 것을 차단하는 역할을 수행하여 단로방지에 의한 효율 향상의 효과를 가져온다. 또한, 에너지 준위의 균형화 로 전자와 정공의 재결합을 방지하여 전자의 수집율이 좋아져 효율 개선 효과가 있다. 차단층(20)으로서, TiO₂를 형성할 수도 있고, TiO₂-WO₃ 또는 WO₃를 형성할 수도 있다.

상대 전극기판(50)은 유리 또는 플라스틱 기판(51) 상에 투명전도성막(53)과 Pt 또는 탄소 필름(55)이 순차적으로 형성된 구조를 갖는다.

종래의 염료감응형 태양전지에서는 전면 전극과 상대 전극에 모두 불소가 도핑된 산화주석막(FTO 막)을 사용하는 것이 대부분이었다.

태양전지용으로 사용되는 투명전도성막은 빛을 잘 투과하는 성질(투과율)과 전자를 잘 흐르게 할 수 있는 특성(전기전도도)이 우수할 것이 요구된다. 그러나, 상기 FTO 막은 그 투과도 및 전기전도도가 좋지 못하여 태양전지의 효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 배경 하에서 안출된 것으로서, 본 발명은 전기전도도 및 투과도가 우수한 염료감응형 태양전지용 전극기판을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 염료감응형 태양전지용 전극기판으로서, 기판; 및 상기 기판 상에 형성되되, 갈륨이 도핑된 산화아연으로 이루어진 투명전도성막을 포함하고, 상기 투명전도성막은 1~30% 의 헤이즈 값을 가지며, 표면에 텍스처가 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판을 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 염료감응형 태양전지의 제조방법으로서, 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판 상에 3~100nm의 평균 입경을 갖는 TiO₂를 코팅하는 단계와, 상기 TiO₂가 코팅된 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판을 120~550℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조방법을 제공한다.

상기한 구성에 따르면, 본 발명은 전기전도도 및 투과도가 우수한 염료감응형 태양전지용 전극기판을 제공할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 우수한 셀 효율을 갖는 염료감응형 태양전지를 제공할 수 있게 된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 염료감응형 태양전지용 전극기판은 기판과, 투명전도성막을 포함한다.

상기 기판은 글래스, PET, PEN 및 PES 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

투명전도성막은 기판 상에 형성되고, 전형적으로는, 염료감응형 태영전지의 전면 전극기판이다. 투명전도성막은 산화아연에 갈륨이 도핑된 GZO 막이 사용된다. 투명전도성막은 예컨대, 스퍼터링에 의하여 기판 상에 증착될 수 있다.

전술한 바와 같이, FTO 막은 전기전도도 및 투과도가 좋지 못한 단점이 있다. 한편, 전기전도도 및 투과도가 우수한 것으로 평가되는 ITO 막은, 가격적인 경쟁력이 떨어지고, TiO₂ 입자의 코팅 후 열처리(일반적으로 500℃)를 실시하는 과정에서 열적안정성이 떨어지므로, 요구되는 태양전지의 효율을 얻을 수 없거나, 그 효율이 제한적이다.

또한, 가격적인 이점과 상대적으로 성능이 우수한 ZnO계 타겟을 이용한 박막 역시 염료감응형 태양전지에 적용하기에는 열적 안정성이 떨어지는 단점을 갖는다. 그러나, Ga이 도핑된 ZnO계 조성의 스퍼터링 타겟을 사용하여 박막의 열적 안정성을 높일 수 있으며, 우수한 광-전기 변환 효율을 얻을 수 있다.

상기 투명전도성막의 두께는 바람직하게는, 500~10000Å이다. 상기 투명전도 성막은 바람직하게는, GZO 성막 후 약산 또는 약염기에 의한 화학적 에칭을 실시함으로써, 표면에 텍스처를 가져, 1~30% 헤이즈 값을 갖는다. 헤이즈 값이 30% 이상이 되면, 투과도가 떨어져 빛을 하베스팅(harvesting)하기 힘들게 된다.

상기 투명전도성막은, 바람직하게는, 상기 갈륨이 도핑된 산화아연과 함께, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO), 인듐이 도핑된 산화아연(IZO) 또는 티타늄이 도핑된 산화아연(TiZO) 중 적어도 하나가 동시 증착된다.

전극기판은, 상기 투명전도성막 위에, 2.8~3.6ev의 밴드갭을 갖는 산화물 반도체의 코팅층, 예컨대, TiOx, WOx, SnOx 및 ZnOx 중 적어도 하나의 코팅층을 가질 수 있다. Ti, W, Sn, Zn, 등의 양이온은 코팅층에 포함되면 가전자대/전도대에의 위치가 달라져 밴드갭(Bandgap)을 Tailoring할 수 있게 된다.

상기 투명전도성막 위에, Ag, Cu 및 CNT 중 적어도 하나의 코팅층을 가질 수도 있다. Ag, Cu, 등의 금속은 전도성이 좋아 하베스팅(harvesting)된 전자를 이동시키기가 좋아 셀의 효율이 증가하게 된다. 다만, 반사 특성으로 인하여, 많이 사용되지 않았으나, 나노 분말 코팅을 통하여, 이러한 단점을 일정 부분 개선할 수 있다. CNT의 경우, 전기전도도가 상당히 빨라 전극으로서의 가치를 높일 수 있다.

상기 전극기판을 포함하는 본 발명의 태양전지 제조방법은, 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판 상에 3~100nm의 평균 입경을 갖는 TiO₂를 코팅하는 단계와, 상기 TiO₂가 코팅된 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판을 120~550℃의 온도로 열처 리하는 단계를 포함한다.

3nm 이하의 TiO₂ 나노 분말은 결정성이 확보되기 힘들기 때문에 제작 자체가 어렵다. 일반적으로는 100nm 이하의 아나타제 결정 분말을 사용하며 그 이상은 Rutile상으로 효율이 떨어져 바람직하지 않다.

일반적인 온도는 500~550℃에서 소성되나 이는 유리기판의 경우이며, 최근 플렉서블 기판(Flexible substrate)의 중요성이 부각됨에 따라 저온소성용 TiO₂가 적용되어 150℃정도의 온도에서 소성되는 나노 TiO₂ paste가 개발되어 있다.

도 2는 열처리 조건에 따른 투명전도성막의 면저항을 보여주는 도면이다.

GZO 막을 5000Å 수준으로 코팅하여, 일반 고온 소결로를 이용하여 각 온도에서 열처리를 수행한 후 면저항을 측정하고, 이를 FTO 막 및 AZO 막의 면저항과 비교하였다.

도시한 바와 같이, FTO 막은 전체적으로 면저항이 높은 것으로 나타났고, AZO로 성막된 경우 270℃, 30분 이상 가열시 면저항이 급증하는 것으로 나타났다. 이에 반하여, GZO 막은 270℃까지 안정적이고, FTO 대비 면저항이 절반 수준을 나타내었다.

도 3은 열처리 조건에 따른 투명전도성막의 면저항을 보여주는 도면이다.

TiO₂ 막의 건전성을 확보하기 위하여, 더 높은 온도까지 열처리(~500℃)를 수행하였을 때 열에 의한 전기전도도의 감소를 확인할 수 있었다. 도시한 바와 같이, 350℃ 부터는 FTO와 동등한 수준의 면저항을 나타내고, 400℃ 부터는 열저항성 이 약해짐을 나타내었다.

도 4는 300~350℃ 열처리를 한 GZO 막의 I-V 커브를 보여주는 도면이다.

갈륨이 도핑된 산화아연계 타겟(GZO 타겟)을 이용하여 성막을 한 후, 일반적인 염료감응형 태양전지 제조 공정을 따라 셀을 제조하였고, I-V 특성을 확인하였다.

FTO 대비 면저항이 같거나 우수한 정도(300~350℃)를 선택하여, 염료감응형 태양전지 셀을 제작하여 효율 확인 결과, 0.20~0.46%의 셀 효율을 나타내어 셀 효율이 개선되었음을 확인할 수 있었다.

도 5는 15% 헤이즈를 준 GZO 막을 400~450℃ 열처리 한 후, 측정한 I-V 커브를 보여주는 도면이다.

TiO₂와의 부착면 개선을 위해 약산을 이용하여 헤이즈 값을 15%로 만들고, 염료감응형 태양전지 제작시 열처리 온도를 450℃로 고정시켰을 때, 0.61~1.65% 정도의 셀 효율을 얻을 수 있었다.

도 1은 염료감응형 태양전지의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 2는 열처리 조건에 따른 투명전도성막의 면저항을 보여주는 도면이다.

도 3은 열처리 조건에 따른 투명전도성막의 면저항을 보여주는 도면이다.

도 4는 300~350℃ 열처리를 한 GZO 막의 I-V 커브를 보여주는 도면이다.

도 5는 15% 헤이즈를 준 GZO 막을 400~450℃ 열처리 한 후, 측정한 I-V 커브를 보여주는 도면이다.

Claims (11)

1. 염료감응형 태양전지용 전극기판으로서,

   기판;

   상기 기판 상에 형성되되, 갈륨이 도핑된 산화아연으로 이루어진 투명전도성막; 및

   상기 투명전도성막 위에 형성되되, Ag, Cu, 및 CNT 중 적어도 하나로 이루어진 코팅층; 을 포함하고,

   상기 투명전도성막은 1~30% 의 헤이즈 값을 가지며, 표면에 텍스처가 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판.
2. 제1항에 있어서,

   염료감응형 태양전지의 전면 전극기판인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판.
3. 제1항에 있어서,

   상기 투명전도성막의 두께는 500~10000Å인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 투명전도성막은, 상기 갈륨이 도핑된 산화아연과 함께, 알루미늄이 도핑된 산화아연, 인듐이 도핑된 산화아연 또는 티타늄이 도핑된 산화아연 중 적어도 하나가 동시 증착된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판.
6. 제1항에 있어서,

   상기 투명전도성막 위에, TiOx, WOx, SnOx 및 ZnOx 중 적어도 하나의 코팅층을 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판.
7. 제1항에 있어서,

   상기 투명전도성막 위에, 2.8~3.6ev의 밴드갭을 갖는 산화물 반도체의 코팅층을 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,

   상기 기판은 글래스, PET, PEN 및 PES 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전극기판.
10. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제7항 및 제9항 중 어느 한 항의 염료감응형 태양전지용 전극기판을 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
11. 제10항의 염료감응형 태양전지의 제조방법으로서,

    상기 염료감응형 태양전지용 전극기판 상에 3~100nm의 평균 입경을 갖는 TiO₂를 코팅하는 단계와,

    상기 TiO₂가 코팅된 상기 염료감응형 태양전지용 전극기판을 120~550℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조방법.

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