KR101135476B1 - 염료 감응 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
제1 전극, 상기 제1 전극의 일면에 형성되어 있는 광 흡수층, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 상기 제2 전극의 일면에 형성되어 있는 광 반사층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 채워진 전해질을 포함하고, 상기 광 반사층은 굴절률이 다른 제1 산화물 박막 및 제2 산화물 박막이 복수 개 교대로 적층되어 있는 염료 감응 태양 전지에 관한 것이다.
Description
염료 감응 태양 전지에 관한 것이다.
근래 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십 년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다. 이들 중 태양에너지를 이용한 태양 전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경친화적이므로 1983년 셀레늄(Se, selenium) 태양 전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양 전지가 각광을 받고 있다.
그러나 이와 같은 실리콘 태양 전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화되는데 시간이 필요하고, 전지 효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이를 해결하기 하여 제작 비용이 비교적 저렴한 염료 감응 태양 전지의 개발이 검토되어 있다.
염료 감응 태양 전지는 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 전자와 정공이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton)을 생성할 수 있는 감광성 염료와 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 포함한다.
그러나 감광성 염료는 염료 감응 태양 전지의 일부분에 위치하므로 염료 감응 태양 전지로 유입되는 대부분의 광은 감광성 염료에 도달하지 못할 수 있다. 또한 감광성 염료는 특정 파장 영역의 태양 광만 흡수하므로 태양 광을 효과적으로 흡수하는데 한계가 있다.
본 발명의 일 측면은 효율을 개선할 수 있는 염료 감응 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전극, 상기 제1 전극의 일면에 형성되어 있는 광 흡수층, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 상기 제2 전극의 일면에 형성되어 있는 광 반사층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 채워진 전해질을 포함하고, 상기 광 반사층은 굴절률이 다른 제1 산화물 박막 및 제2 산화물 박막이 복수 개 교대로 적층되어 있는 염료 감응 태양 전지를 제공한다.
상기 제1 산화물 박막은 산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있고, 상기 제2 산화물 박막은 산화규소(SiO2)를 포함할 수 있다.
상기 제1 산화물 박막 및 상기 제2 산화물 박막은 각각 약 10nm 내지 800nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제2 산화물 박막은 상기 제1 산화물 박막보다 두껍게 형성될 수 있다.
상기 광 반사층은 약 380nm 내지 750nm 파장의 광을 반사할 수 있다.
상기 광 반사층은 상기 제1 산화물 박막 및 상기 제2 산화물 박막의 두께에 따라 광의 반사 파장의 범위가 달라질 수 있다.
상기 광 반사층은 반사도가 100% 이상일 수 있다.
상기 광 흡수층은 감광성 염료 및 상기 감광성 염료를 흡착하고 있는 산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 도전성 투명 기판 위에 지지되어 있고, 상기 도전성 투명 기판은 인듐 틴 옥사이드, 플루오린 틴 옥사이드, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 산화주석, 산화아연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
염료 감응 태양 전지에 흡수되는 광량을 늘려 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 염료 감응 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 염료 감응 태양 전지에서 광 반사층을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 3a 내지 도 3d는 실시예 1 내지 4에 따른 염료 감응 태양 전지의 광 반사도를 보여주는 그래프이고,
도 4는 실시예 4 및 비교예 1에 따른 염료 감응 태양 전지의 전류 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 2는 도 1의 염료 감응 태양 전지에서 광 반사층을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 3a 내지 도 3d는 실시예 1 내지 4에 따른 염료 감응 태양 전지의 광 반사도를 보여주는 그래프이고,
도 4는 실시예 4 및 비교예 1에 따른 염료 감응 태양 전지의 전류 밀도를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 도면을 사용하여 설명하는 경우 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여한다. 층, 막, 영역, 기판 등의 부분이 다른 구성요소 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 구성요소 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 구성요소가 없는 것을 뜻한다.
이하, 일 구현예에 따른 염료 감응 태양 전지에 대하여 도 1 및 도 2를 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 염료 감응 태양 전지를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 염료 감응 태양 전지에서 광 반사층을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 염료 감응 태양 전지는 서로 마주하며 간격재(15)에 의해 고정되어 있는 하부 기판(10) 및 상부 기판(20); 하부 기판(10)과 상부 기판(20) 각각의 일면에 위치하는 하부 전극(12)과 상부 전극(22); 하부 전극(12)의 일면에 위치하는 광 반사층(11); 하부 전극(12)의 다른 일면에 위치하는 보조 전극(13); 상부 전극(22)의 일면에 위치하는 광 흡수층(23); 하부 기판(10)과 상부 기판(20) 사이에 채워져 있는 전해질(30)을 포함한다.
하부 기판(10) 및 상부 기판(20)은 투명 유리 또는 고분자로 만들어질 수 있으며, 고분자는 예컨대 폴리아크릴레이트, 폴리에틸렌에테르프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰 및 폴리이미드에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
하부 전극(12) 및 상부 전극(22)은 각각 투명 도전체로 만들어질 수 있으며, 이들은 각각 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxidem ITO), 불소 함유 틴 옥사이드(fluorine tin oxide, FTO) 또는 안티몬 함유 틴 옥사이드(antimony doped tin oxide, ATO)와 같은 무기 도전성 물질이나 폴리아세틸렌 또는 폴리티오펜과 같은 유기 도전성 물질을 포함할 수 있다.
광 반사층(11)은 약 380nm 내지 750nm 파장 영역의 빛을 반사하는 층으로, 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2를 참고하면, 광 반사층(11)은 굴절률이 다른 제1 산화물 박막(11a) 및 제2 산화물 박막(11b)이 복수 개 교대로 적층되어 있다.
예컨대 제1 산화물 박막(11a)은 산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있고, 제2 산화물 박막(11b)은 산화규소(SiO2)를 포함할 수 있다.
제1 산화물 박막(11a)과 제2 산화물 박막(11b)이 N개 적층되어 있다고 할 때, 각 층의 두께에 따라 반사할 수 있는 파장 영역을 선택할 수 있다. 이에 따라 반사하고자 하는 파장 영역에 따라 두께를 조절하여 형성함으로써 반사 파장 영역을 선택할 수 있다.
예컨대 특정 파장에 대하여 λ/4 두께로 고정될 수 있으며, 그 두께는 다음과 같이 결정될 수 있다:
두께(t1) = λ/4n1 ---- (1)
두께(t2) = λ/4n2 ---- (2)
여기서, n1은 산화티탄의 굴절률, n2는 산화규소의 굴절률, λ은 특정 파장 영역이다.
제1 산화물 박막(11a)과 제2 산화물 박막(11b)은 각각 약 10nm 내지 800nm의 두께로 형성될 수 있으며, 그 중에서 각각 약 10nm 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있다. 이 때 제1 산화물 박막(11a)이 산화티탄을 포함하고 제2 산화물 박막이 산화규소를 포함한다고 할 때, 제2 산화물 박막(11b)이 제1 산화물 박막(11a)보다 두껍게 형성될 수 있다.
보조 전극(13)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 촉매 전극으로, 예컨대 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
광 흡수층(23)은 감광성 염료 및 상기 감광성 염료를 흡착하고 있는 다공성막을 포함할 수 있다.
감광성 염료는 예컨대 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 포함하는 금속 복합체로 이루어질 수 있다. 여기서, 루테늄은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있어, 루테늄을 포함하는 염료가 일반적으로 많이 사용된다. 일례로, Ru(etc bpy)2(NCS)2ㆍ2CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기서 etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2로서 다공질막(일 예로 TiO2) 표면과 결합 가능한 반응기이다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는 쿠마린(coumarin), 포피린(porphyrin), 키산틴(xanthene), 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethan) 등이 있다. 이들은 단독 또는 Ru 복합체와 혼합사용하여 장파장의 가시광 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
다공성 막은 미세하고 균일한 나노 사이즈의 평균 입경을 가지는 미립자들이 균일하게 분포하며 다공성을 유지하면서 표면에 적당한 거칠기를 가질 수 있다. 다공성 막은 예컨대 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 이 중에서 아나타제형의 TiO2를 사용할 수 있다.
이 때 미립자는 표면에 흡착된 감광성 염료가 더욱 많은 빛을 흡수할 수 있도록 표면적을 크게 할 수 있다. 이에 따라 다공성 막을 이루는 미립자는 약 5nm 내지 500nm의 미세한 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 미립자가 상기 범위의 평균 입자 직경을 가짐으로써 성막 후 열처리시 기재와의 밀착성을 확보할 수 있으면서도 표면적을 크게 하여 감광성 염료의 흡착량을 높일 수 있다.
간격재(15)는 염료 감응 태양전지의 제조시 광 흡수층(23)의 눌림을 방지하는 한편 전해질 함침 공간을 제공할 수 있다.
전해질(30)은 전기 변색 물질의 산화/환원 반응을 촉진하는 물질을 공급하며, 액체 전해질 또는 고체 고분자 전해질일 수 있다. 액체 전해질로는 예컨대 LiOH 또는 LiClO4과 같은 리튬 염, KOH과 같은 포타슘 염 및 NaOH와 같은 소듐 염 등이 용매에 용해되어 있는 용액을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 고체 전해질로는 예컨대 폴리(2-아크릴아미노-2-메틸프로판 술폰산)(poly(2-acrylamino-2-methylpropane sulfonic acid) 또는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 구현예에 따른 염료 감응 태양 전지는 광 흡수층과 마주하도록 광 반사층을 포함함으로써 광 흡수층의 염료에서 흡수하지 못한 광을 광 반사층에서 반사하여 광 흡수층으로 되돌려 보냄으로써 염료에서 흡수하는 광량을 늘릴 수 있다. 이에 따라 염료 감응 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시에는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
불소 함유 틴 옥사이드(FTO) 투명 도전체 위에 산화티타늄(TiO2) 분산액을 닥터블레이드법을 이용하여 0.2㎠ 면적에 도포하고, 450℃에서 30분간 열처리 소성공정을 통해 18 ㎛ 두께의 다공성 이산화티타늄 후막을 제작하였다. 그 후 80℃에서 시편을 유지한 후 N719를 흡착 처리하였다.
또 다른 불소 함유 틴 옥사이드(FTO) 투명 도전체 위에 산화티탄(TiO2) 및 산화규소(SiO2)를 각각 69nm 및 106nm의 두께로 9회 반복 증착하여 광 반사층을 형성하였다. 이어서 광 반사층 위에 스퍼터링 방법으로 약 200nm 두께의 인듐 틴 옥사이드(ITO) 층을 형성한 후 그 위에 약 200nm 두께의 Pt 층을 증착하였다.
60 ㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 상기 두 개의 불소 함유 틴 옥사이드(FTO) 투명 도전체들 사이에 두고 100℃에서 9초 동안 압착시킴으로써 두 전극을 접합시켰다. 이어서 투명 도전체들 사이에 산화-환원 전해질을 주입하고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 밀봉함으로써 염료 감응 태양 전지를 제작하였다. 이때 산화-환원 전해질은 0.62 M의 1,2-디메틸-3-헥실이미다졸리움아이오다이드(1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide), 0.5 M의 2-아미노피리미딘(2-aminopyrimidine), 0.1 M의 LiI와 0.05 M의 I2를 아세토니트릴(acetonitrile) 용매에 용해시킨 것을 사용하였다.
실시예
2
광 반사층으로써 산화티탄(TiO2) 및 산화규소(SiO2)를 각각 65 nm 및 100 nm 의 두께로 9회 반복 증착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제작하였다.
실시예
3
광 반사층으로써 산화티탄(TiO2) 및 산화규소(SiO2)를 각각 61 nm 및 94 nm 의 두께로 9회 반복 증착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제작하였다.
실시예
4
광 반사층으로써 산화티탄(TiO2) 및 산화규소(SiO2)를 각각 57 nm 및 88 nm 의 두께로 9회 반복 증착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제작하였다.
비교예
1
광 반사층을 포함하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제작하였다.
평가 - 1
실시예 1 내지 4에 따른 염료 감응 태양 전지에서 광 반사층에 의해 반사되는 파장 범위를 측정하였다.
그 결과에 대하여 도 3a 내지 3d 및 표 1을 참고하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3d는 각각 실시예 1 내지 4에 따른 염료 감응 태양 전지의 광 반사도를 보여주는 그래프이다.
| 반사 파장 범위(nm) | |
| 실시예 1 | 400-550 |
| 실시예 2 | 430-570 |
| 실시예 3 | 500-680 |
| 실시예 4 | 530-730 |
도 3a 내지 도 3d 및 표 1을 참고하면, 광 반사층의 굴절률이 다른 제1 산화물 박막 및 제2 산화물 박막의 두께를 변화함으로써 반사 파장 범위가 바뀔 수 있음을 알 수 있다.
구체적으로, 도 3a를 참고하면 실시예 1에 따른 염료 감응 태양 전지는 약 400 내지 550nm 파장 범위에서 반사도가 100% 이상인 것을 알 수 있고, 도 3b를 참고하면 실시예 2에 따른 염료 감응 태양 전지는 약 430 내지 570nm 파장 범위에서 반사도가 100% 이상인 것을 알 수 있고, 도 3c를 참고하면 실시예 3에 따른 염료 감응 태양 전지는 약 500 내지 680nm 파장 범위에서 반사도가 100% 이상인 것을 알 수 있고, 도 3d를 참고하면 실시예 4에 따른 염료 감응 태양 전지는 약 530 내지 730nm 파장 범위에서 반사도가 100% 이상인 것을 알 수 있다.
이로부터, 복수 개가 적층된 굴절률이 다른 제1 산화물 박막(11a)과 제2 산화물 박막(11b)의 두께를 조절함으로써 특정 파장에서 반사도가 최대가 되도록 제어할 수 있음을 알 수 있다.
평가 - 2
실시예 4 및 비교예 1에 따른 염료 감응 태양 전지의 전류 밀도를 측정하였다.
그 결과는 도 4와 같다.
도 4는 실시예 4 및 비교예 1에 따른 염료 감응 태양 전지의 전류 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참고하면, 실시예 4에 따른 염료 감응 태양 전지는 비교예 1에 따른 염료 감응 태양 전지와 비교하여 전류 밀도가 높음을 알 수 있다.
평가 - 3
실시예 4 및 비교예 1에 따른 염료 감응 태양 전지의 광 전류 효율, 곡선 인자(fill factor) 및 효율을 측정하였다.
그 결과는 표 2와 같다.
| 광 전류 효율(Jsc)(mA/㎠) | 곡선 인자(FF) | 효율(%) | |
| 실시예 4 | 13.27 | 0.68 | 6.62 |
| 비교예 1 | 12.11 | 0.67 | 6.01 |
표 2를 참고하면, 실시예 4에 따른 염료 감응 태양 전지는 비교예 1에 따른 염료 감응 태양 전지와 비교하여 광 전류 효율, 곡선 인자 및 효율이 모두 개선되었음을 알 수 있다. 이는 실시예 4에 따른 염료 감응 태양 전지는 광 반사층을 포함함으로써 광 반사층에 의해 반사된 빛이 광 흡수층으로 재흡수됨으로써 이용할 수 있는 광량을 늘려 태양 전지의 효율을 개선할 수 있음을 알 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 일 구현예에 따른 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 하부 기판 11: 광 반사층
12: 하부 전극 15: 간격재
20: 상부 기판 22: 상부 전극
23: 광 흡수층 30: 전해질
12: 하부 전극 15: 간격재
20: 상부 기판 22: 상부 전극
23: 광 흡수층 30: 전해질
Claims (10)
- 제1 전극,
상기 제1 전극의 일면에 형성되어 있는 광 흡수층,
상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극,
상기 제2 전극의 일면에 형성되어 있는 광 반사층, 그리고
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 채워진 전해질
을 포함하고,
상기 광 반사층은 굴절률이 다른 제1 산화물 박막 및 제2 산화물 박막이 복수 개 교대로 적층되어 있고 380 내지 750nm 파장의 광을 반사하는
염료 감응 태양 전지.
- 제1항에서,
상기 제1 산화물 박막은 산화티탄(TiO2)을 포함하고,
상기 제2 산화물 박막은 산화규소(SiO2)를 포함하는
염료 감응 태양 전지.
- 제2항에서,
상기 제1 산화물 박막 및 상기 제2 산화물 박막은 각각 10 내지 800nm의 두께로 형성되는 염료 감응 태양 전지.
- 제3항에서,
상기 제2 산화물 박막은 상기 제1 산화물 박막보다 두껍게 형성되는 염료 감응 태양 전지.
- 삭제
- 제1항에서,
상기 광 반사층은 상기 제1 산화물 박막 및 상기 제2 산화물 박막의 두께에 따라 광의 반사 파장의 범위가 달라지는 염료 감응 태양 전지.
- 삭제
- 제1항에서,
상기 광 흡수층은 감광성 염료 및 상기 감광성 염료를 흡착하고 있는 산화티탄(TiO2)을 포함하는 염료 감응 태양 전지.
- 제1항에서,
상기 제2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 또는 이들의 조합을 포함하는 염료 감응 태양 전지.
- 제1항에서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 도전성 투명 기판 위에 지지되어 있고,
상기 도전성 투명 기판은 인듐 틴 옥사이드, 플루오린 틴 옥사이드, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 산화주석, 산화아연 또는 이들의 조합을 포함하는 염료 감응 태양 전지.
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