KR101131055B1 - 투명기판 상에 메조포러스 탄소전극이 형성된 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

투명기판 상에 메조포러스 탄소전극이 형성된 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명기판 상에 메조포러스 탄소전극이 형성된 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 큰 기공이 상호연결된 구조를 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 사용하여 투명기판 상에 메조포러스 탄소전극이 형성된 상대전극을 포함하여 구성된 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 종래의 염료감응형 태양전지와 달리 상대전극 제조시 백금 촉매층 대신 메조포러스 탄소전극을 형성함으로써 제조비용 단가가 저렴하면서도 우수한 광전변환 효율을 나타낼 수 있다.

Description

투명기판 상에 메조포러스 탄소전극이 형성된 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법{DYE SENSITIZED SOLAR CELL COMPRISING COUNTER ELECTRODE HAVING MESOPOROUS CARBON ELECTRODE DEPOSITED ON TRANSPARENT SUBSTRATE AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 투명기판 상에 메조포러스 탄소전극이 형성된 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 염료감응형 태양전지의 상대전극에서 값비싼 백금층을 대체하여 정렬된 큰 기공을 갖는 메조포러스 탄소촉매로 메조포러스 탄소전극을 형성함으로써 제조비용 단가를 낮출 수 있으며, 종래의 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율과 대등한 광전변환 효율을 나타낼 수 있는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
이와 같은 태양전지를 물질별로 크게 구분하면 무기물 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell) 및 유기물 태양전지(organic solar cell)가 있다.
무기물 태양전지로서 단결정 실리콘이 주로 사용되고 있고, 이러한 단결정 실리콘계 태양전지는 박막형 태양전지로 제조될 수 있는 장점을 가지나, 많은 비용이 소요되고, 안정성이 낮은 문제점을 가지고 있다.
염료감응형 태양전지는 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 염료감응형 태양전지는 기존 실리콘을 기반으로 하는 태양 전지와 비교했을 때 빛과 열에 대한 장시간 노출에도 견딜 수 있으며, 저렴하고 용이하게 에너지를 생산할 수 있다.
지금까지 알려진 염료감응형 태양전지 중 대표적인 예로서 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다(미국등록특허 제4,927,721호 및 제5,350,644호). 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응형 태양전지는 염료 분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극과, 백금 또는 탄소가 코팅된 상대 전극과, 이들 전극 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 이 광전기화학적 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하여 주목받아 왔다. 이러한 그라첼이 개발한 염료감응형 태양전지 기술은 값비싼 실리콘 태양 전지의 저렴한 대안으로 유망하다는 사실을 보여 주었다.
상술한 바와 같이 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양 전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아서 실제 적용에는 제한이 있는 상황이다.
현재까지는 광전극 및 전해질에 관한 연구 개발을 중심으로 염료감응형 태양전지의 효율 향상이 이루어져 왔다. 특히, 광전극에 관한 연구가 활발히 이루어져 왔는데 광전극에 관한 연구 개발은 저가의 고효율 염료 개발, 산화티타늄 층의 광화학 특성 최적화(결정 구조 및 모폴로지(morphology) 등), 전자 재결합(charge recombination) 방지 등으로 크게 구분할 수 있다.
상대전극에 관한 연구는 최근 들어 시작되었으며, 그 예로, Hauch와 Georg는 다양한 방법으로 전도성 유리기판 위에 백금 촉매층을 적층하고 효율을 비교하였다(A. Hauch and A. Georg, Electrochimica Acta 46, 3457, 2001). 이들은 전도성 유리기판 위에 다양한 두께의 백금 촉매층을 직류 자전관 스퍼터링(DC magnetron sputtering), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 열분해법(thermal decomposition)을 이용하여 적층하고, 교류 임피던스 분석법을 이용하여 전해질/전극 계면에서의 전자이동저항을 측정하였다. 실험 결과, I- 이온으로부터 백금층으로의 전자전달이 염료감응형 태양전지의 상대전극 계면에서의 반응속도 결정단계임을 알 수 있었다.
상술한 바와 같이 종래의 염료감응형 태양전지의 상대전극에서는 백금 촉매층을 증착시켜 제조하였으나, 상대전극에 백금 촉매층을 형성시키는 경우 제조단가가 상승되며 I-/I3 - 산화환원 전해질 내로 백금이 용해되는 문제점이 있다.
최근 염료감응형 태양전지의 상대전극에서 백금 촉매층을 대체할 수 있는 높은 표면적을 가지는 다양한 탄소 물질이 공개된 바 있다((a) A. Kay, M. Gr, Sol . Energy Mater . Sol . Cells 1996, 44, 99; (b) K. Imoto, K. Takahashi, T. Yamaguchi, T. Komura, J. Nakamura, K. Murata, Sol . Energy Mater . Sol . Cells 2003, 79, 459; (c) T. N. Murakami, S. Ito, Q. Wang, M. K. Nazeeruddin, T. Bessho, I. Cesar, P. Liska, R. H. Bakar, P. Comte, P. Pechy, M. Gr, J. Electrochem. Soc . 2006, 153, A2255.)
그러나, 상기 탄소 물질들에서 정렬되지 않은 마이크로 기공들에는 산화환원 전해질의 함침이 용이하지 않기 때문에 촉매역할을 수행하기 위해서는 탄소 물질들을 수십 마이크로미터 두께로 증착시켜야 하기 때문에 전자 전달에 제한이 있어 광전변환 효율이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명자들은 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 제조단가를 낮출 수 있는 연구를 거듭하였고, 그 결과 염료감응형 태양전지의 상대전극에 큰 기공을 갖는 잘 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 사용하여 탄소전극을 형성하여 제조하는 경우 종래의 백금 촉매층이 형성된 상대전극을 포함하여 구성된 염료감응형 태양전지와 대등한 광전변환 효율을 나타낼 수 있으며 제조단가를 낮출 수 있는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법을 개발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 우수한 광전변환 효율을 나타낼 수 있으며 제조단가를 낮출 수 있는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 염료감응형 태양전지에서 종래의 백금 촉매층이 형성된 상대전극을 대체할 수 있는 큰 기공을 갖는 정렬된 메조포러스 탄소를 사용하여 탄소전극이 형성된 염료감응형 태양전지의 상대전극을 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 작동전극 및 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지로서, 상기 상대전극은 투명기판에 형성된 메조포러스 탄소전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 메조포러스 탄소전극을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계(단계 1); 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판 상에 나노 산화물층을 형성하고 염료를 흡착시켜 작동전극을 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 1에서 제조된 상대전극과 단계 2에서 제조된 작동전극을 대향시켜 접합시킨 후 전해액을 주입하는 단계(단계 3)를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 메조포러스 탄소전극은 4～22 nm의 기공이 상호연결된 구조를 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 사용하여 형성될 수 있고, 상기 메조포러스 탄소 전극촉매는 비정질의 탄소벽을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 작동전극은 투명기판 상에 형성된 나노 산화물층에 루테늄계 염료가 흡착되어 제조된 전극일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 염료감응형 태양전지는 액상 전해질 또는 반고체 전해질을 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명은 염료감응형 태양전지의 상대전극에 큰 기공을 갖는 잘 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 사용하여 탄소 전극을 형성하여 제조함으로써 종래의 백금 촉매층이 형성된 상대전극을 포함하여 구성된 염료감응형 태양전지와 대등한 광전변환 효율을 나타낼 수 있으며 제조단가를 낮출 수 있는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 염료감응형 태양전지의 상대전극과 작동전극 사이에서 트리-아이오다이드(I3 -)의 환원반응에 의한 전류의 발생 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에서 메조포러스 탄소전극을 형성하는 큰 기공을 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매의 용이한 분산성 및 I3 - 이온의 환원반응을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 상대전극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 작동전극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따라 상대전극과 작동전극을 결합시켜 밀봉된 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매에 대해 고해상 투과 전자 현미경 사진을 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 시험예 1에서 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조한 염료감응형 태양전지에 대해 전류밀도-전압 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 시험예 1에서 실시예 2 및 비교예 4 내지 비교예 6에서 제조한 염료감응형 태양전지에 대해 전류밀도-전압 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
1, 21 : 투명 기판 2, 22 : 투명 전도성 산화물층
3, 23 : 테두리층 4 : 염료가 흡착된 나노산화물층
5 : 접합부 10 : 작동전극
20 : 상대전극 25 : 메조포러스 탄소전극
40 : 염료감응 태양전지
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 작동전극 및 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지로서, 상기 상대전극은 투명기판에 형성된 메조포러스 탄소전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
도 1은 염료감응형 태양전지의 상대전극과 작동전극 사이에서 트리-아이오다이드(I3 -)의 환원반응에 의한 전류의 발생 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 나타난 바와 같이 작동전극에서의 산화된 염료는 I- 이온으로부터 전자를 수용하고 I3 - 이온은 상대전극에서 I- 이온으로 환원된다.
본 발명에서는 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 투명기판에 형성된 메조포러스 탄소전극을 포함하여 구성된 상대전극을 사용하며, 상기 투명기판에 형성된 메조포러스 탄소전극은 I3 - 이온의 환원반응을 향상시켜 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 메조포러스 탄소전극을 형성하여 I3 - 이온의 환원반응을 향상시킬 수 있는 물질로서 큰 기공을 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매(ordered large pore sized mesoporous carbon electrocatalyst)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 메조포러스 탄소전극을 형성하는 큰 기공을 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매의 용이한 분산성 및 I3 - 이온의 환원반응을 나타내는 개략적인 도면이다.
상기 큰 기공을 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매는 4～22 nm의 기공이 상호연결된 구조를 갖으며, 비정질의 탄소벽을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 메조포러스 탄소 전극촉매는 기공이 상호연결된 구조를 가짐으로써 산화환원 종의 분산을 용이하게 하며, 비정질의 탄소벽을 가짐으로써 I3 - 이온의 환원반응에 대한 촉매 반응부를 제공하여 본 발명의 염료감응형 태양전지의 상대전극에서 I3 - 이온의 환원반응을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 작동전극은 투명기판 상에 형성된 나노 산화물층에 염료가 흡착되어 제조된 전극을 사용할 수 있으며, 상기 투명 기판으로는 유리 기판 또는 투명한 플라스틱 기판을 사용할 수 있으며, 염료로는 루테늄계 염료를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 나노 산화물층은 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 도포하여 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 작동전극은 염료감응형 태양전지에서 일반적으로 사용되는 작동전극으로서 상술한 방법 이외의 다른 방법으로 제조된 것을 사용할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 전해질로는 액상의 전해질 또는 3차원 고분자 겔 매트릭스에 액상 전해질이 함침된 반고체 전해질을 사용할 수 있다. 상기 액상의 전해질 또는 반고체 전해질은 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 액상의 전해질 또는 반고체 전해질을 제한없이 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 메조포러스 탄소전극을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계(단계 1); 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판 상에 나노 산화물층을 형성하고 염료를 흡착시켜 작동전극을 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 1에서 제조된 상대전극과 단계 2에서 제조된 작동전극을 대향시켜 접합시킨 후 전해액을 주입하는 단계(단계 3)를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
하기에서 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법을 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
우선, 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 메조포러스 탄소전극을 형성하여 상대전극을 제조한다(단계 1).
도 3은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 상대전극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 유리 기판 또는 투명한 플라스틱 기판과 같은 투명 기판(21) 상에 투명 전도성 산화물층(22)을 증착시킨 후, 이에 메조포러스 탄소전극(25)을 형성하여 상대전극(20)을 제조할 수 있다.
상기 투명 전도성 산화물층(22)은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO), 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO) 등을 사용하여 상기 투명 기판(21) 상에 증착될 수 있다.
상기 메조포러스 탄소전극(25)은 상술한 바와 같이 4～22 nm의 기공이 상호연결된 구조를 갖으며, 비정질의 탄소벽을 가지는 큰 기공을 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 사용하여 형성될 수 있다.
다음으로, 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판 상에 나노 산화물층을 형성하고 염료를 흡착시켜 작동전극을 제조한다(단계 2).
도 4는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 작동전극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 단계 1에서 설명한 바와 동일하게 투명 전도성 산화물층(2)이 형성된 투명 기판(1)에 염료가 흡착된 나노산화물층(4)을 형성하여 작동전극(10)을 제조할 수 있다. 보다 상세하게는 투명 전도성 산화물층(2)이 형성된 투명 기판(1)에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 도포하여 나노산화물층을 형성한 후, 상기 기판을 루테늄계 염료가 포함된 용액에 침지시킴으로써 상기 나노산화물층에 염료를 흡착시켜 작동전극(10)을 제조할 수 있다.
마지막으로, 상기 단계 1에서 제조된 상대전극과 단계 2에서 제조된 작동전극을 대향시켜 접합시킨 후 전해액을 주입하여 본 발명의 염료감응형 태양전지를 제조한다(단계 3).
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 상대전극(20)과 작동전극(10)을 대향시켜 접합시킨 후 상대전극(20) 또는 작동전극(10)에 미세 홀을 형성하여 전해액을 주입한 후, 상기 구멍을 고분자 수지를 이용하여 밀봉함으로써 염료감응형 태양전지(40)를 제조할 수 있다.
상술한 방법에 따라 본 발명의 염료감응형 태양전지를 제조하는 경우 종래의 백금 촉매층이 형성된 상대전극을 포함하여 구성된 염료감응형 태양전지와 대등한 광전변환 효율을 나타낼 수 있으며, 백금 촉매층을 대체하여 큰 기공을 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 사용하여 탄소전극을 사용함으로써 제조단가를 낮출 수 있다. 이러한 효과는 하기에서 보다 상세히 설명한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
<실시예>
실시예 1
(1) 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 닥터블레이드법으로 도포하고, 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여, 나노크기의 금속 산화물 간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 약 8 ㎛ 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 이어서, 상기 나노 산화물층의 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 동일한 방법으로 도포하고, 500 ℃의 온도에서 30분 동안 열처리하여 약 15 ㎛ 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 0.2 mM의 루테늄 디티오시아네이트 2,2′-비피리딜-4,4′-디카르복실레이트와 0.2 mM의 인산리튬(Li3PO4)이 에탄올에 녹아있는 염료용액을 제조하였다. 여기에 상기 나노 산화물층이 형성된 기판을 24시간 동안 담지한 후 건조시켜 나노크기의 금속 산화물에 염료 및 인산이온을 흡착시켜 작동전극을 제조하였다.
(2) 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 22 nm의 기공을 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 용해시킨 용액을 떨어뜨린 후, 450 ℃에서 30분 동안 열처리하여 메조포러스 탄소전극을 형성시켜 상대전극을 제조하였다.
(3) 제조된 작동전극의 나노 산화물층과 상대전극의 메조포러스 탄소전극이 서로 대향하도록 한 후, SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 60 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층을 형성한 후, 130 ℃의 오븐에 넣어 2분 동안 유지하여 두 전극을 부착하여 밀봉하였다. 다음으로, 작동전극과 상대전극을 관통하는 미세 홀을 형성하고 이 홀을 통해 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 주입한 다음, 다시 홀의 외부를 접착제로 밀봉하여 본 발명의 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 여기서, 전해질 용액은 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile) 용매에 0.1M LiI, 0.05M I2, 0.5M 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)과 이온성액체인 0.6M 1-에틸-1-메틸피롤리디늄 아이오다이드(1-Ethyl-1-methylpyrrolidinium iodide)를 녹여서 제조하였다.
비교예 1
상대 전극 제조시 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판에 Vulcan XC 72 카본블랙을 사용하여 탄소전극을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교예 2
상대 전극 제조시 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판에 실리카 주형을 사용하여 중형기공성 탄소 재료인 CMK-3 탄소를 사용하여 탄소전극을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교예 3
상대 전극 제조시 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판에 육염화백금산(H2PtCl6)을 열 증착시켜 상대전극을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
실시예 2
전해질로서 실리카 입자를 이미다졸계 이온성 액체와 혼합한 유무기 복합 겔형 전해질을 적용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교예 4
상대 전극 제조시 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판에 Vulcan XC 72 카본블랙을 사용하여 탄소전극을 형성한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교예 5
상대 전극 제조시 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판에 실리카 주형을 사용하여 중형기공성 탄소 재료인 CMK-3 탄소를 사용하여 탄소전극을 형성한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교예 6
상대 전극 제조시 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판에 육염화백금산(H2PtCl6)을 열 증착시켜 상대전극을 형성한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
시험예
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 6에서 제조한 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(Jsc), 전압(Voc), 및 충진계수(fillfactor, ff)를 이용하여 광전변환 효율(η)을 하기 수학식 1로 계산하여 표 1 및 표 2에 나타내었으며, 전류밀도-전압 특성을 그래프로 작성하여 도 7 및 도 8에 나타내었다.
이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5G)은 표준 태양전지를 사용하여 보정하였다.
[수학식 1]
η(%) = (Voc × Jsc × ff) / (Pine)
상기 수학식 1에서, (Pine)는 100 ㎽/㎠(1 sun)을 나타낸다.
상기와 같이 측정된 값들을 하기 표 1에 나타내었다.
기공크기
(nm)		 BET 표면적
(m2.g-1)		 RCTΩ.cm2 VOC(V) JSC(mA.cm-2) FF η(%)
실시예 1 22 800 8.75 0.782 14.95 0.70 8.18
비교예 1 - 250 50.09 0.770 14.90 0.59 6.77
비교예 2 3 1400 56.13 0.772 14.57 0.60 6.75
비교예 3 - - 4.75 0.783 15.48 0.73 8.85
기공크기
(nm)		 BET 표면적
(m2.g-1)		 RCTΩ.cm2 VOC(V) JSC(mA.cm-2) FF η(%)
실시예 2 22 800 8.75 0.748 7.78 0.62 3.61
비교예 4 - 250 50.09 0.755 7.72 0.44 2.57
비교예 5 3 1400 56.13 0.789 7.67 0.46 2.78
비교예 6 - - 4.75 0.759 7.81 0.68 4.03
* 상기 BET 표면적은 질소 흡착 방법에 의해 계산된 것임.
표 1을 참조하면, 상대전극에 각기 다른 탄소물질을 사용하여 탄소전극을 형성한 비교예 1 및 비교예 2는 본 발명에 따라 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 사용하여 상대 전극에 탄소전극을 형성한 실시예 1에 비해 전극의 전하 이동 저항(RCT)이 매우 높은 수치를 나타내었고, 상대전극에 백금 촉매층이 형성된 비교예 3에 비해 전하 이동 저항(RCT)이 약간 높게 나타났다. 도 7을 참조하면 각기 다른 탄소물질을 사용하여 탄소전극을 형성한 비교예 1 및 비교예 2의 전하 이동 저항(RCT)이 매우 높은 수치를 나타내고 이에 따라 높은 충진계수를 나타냄으로써 본 발명에 따라 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 사용하여 상대 전극에 탄소전극을 형성한 실시예 1에 비해 광전변환 효율이 떨어짐을 알 수 있다.
표 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 염료감응형 태양전지는 상대전극에 각기 다른 탄소물질을 사용하여 탄소전극을 형성한 비교예 1 및 비교예 2의 염료감응형 태양전지에 비해 약 21% 광전변환 효율이 향상되었음을 알 수 있고, 상대전극에 백금 촉매층이 형성된 비교예 3의 염료감응형 태양전지와 거의 대응한 광전변환 효율을 나타냄을 알 수 있다.
또한, 반고체 전해질을 적용한 실시예 2 및 비교예 4 내지 6의 광전 특성을 나타낸 표 2 및 도 8을 참조하면, 상기 표 1 및 도 7에서 검토한 결과와 유사하게 각기 다른 탄소물질을 사용하여 탄소전극을 형성한 비교예 4 및 비교예 5의 염료감응형 태양전지에 비해 약 30% 광전변환 효율이 향상되었음을 알 수 있고, 이는 점도가 높은 전해질이 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매를 용이하게 관통할 수 있음을 나타낸다.

Claims (17)

  1. 작동전극 및 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지로서,
    상기 상대전극은 투명기판에 형성된 메조포러스 탄소전극을 포함하고, 상기 메조포러스 탄소전극은 기공이 상호 연결된 구조를 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기공은 4-22 ㎚인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메조포러스 탄소 전극촉매는 비정질의 탄소벽을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메조포러스 탄소 전극은 트리 아이오다이드의 환원 반응에 대한 촉매 반응부를 제공하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 작동전극은 투명기판 상에 형성된 나노 산화물층에 염료가 흡착되어 제조된 전극임을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 염료감응형 태양전지는 액상 전해질 또는 반고체 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  7. 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에, 기공이 상호 연결된 구조를 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매로 메조포러스 탄소전극을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계 (단계 1);
    투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판 상에 나노 산화물층을 형성하고 염료를 흡착시켜 작동전극을 제조하는 단계 (단계 2); 및
    상기 단계 1에서 제조된 상대전극과 상기 단계 2에서 제조된 작동전극을 대향시켜 접합시킨 후 전해액을 주입하는 단계 (단계 3);
    를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기공은 4-22 ㎚인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 메조포러스 탄소 전극촉매는 비정질의 탄소벽을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 염료는 루테늄계 염료인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물층은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어진 군으로부터 선택된 투명 전도성 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명한 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 나노 산화물층은 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  14. 염료감응형 태양전지의 상대전극으로서,
    상기 상대전극은 투명기판에 형성된 메조포러스 탄소전극을 포함하여 이루어지고, 상기 메조포러스 탄소전극은 기공이 상호 연결된 구조를 갖는 정렬된 메조포러스 탄소 전극촉매로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 상대전극.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 상대전극은 투명기판과 메조포러스 탄소전극 사이의 증착된 투명 전도성 산화물층을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 상대전극.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 기공은 4-22 ㎚인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 상대전극.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 메조포러스 탄소 전극촉매는 비정질의 탄소벽을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 상대전극.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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