KR101140361B1 - 광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지 - Google Patents

광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101140361B1
KR101140361B1 KR1020100006556A KR20100006556A KR101140361B1 KR 101140361 B1 KR101140361 B1 KR 101140361B1 KR 1020100006556 A KR1020100006556 A KR 1020100006556A KR 20100006556 A KR20100006556 A KR 20100006556A KR 101140361 B1 KR101140361 B1 KR 101140361B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oxide
photoelectrode
composition
metal
colloidal solution
Prior art date
Application number
KR1020100006556A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110087090A (ko
Inventor
고민재
김경곤
이도권
리위롱
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020100006556A priority Critical patent/KR101140361B1/ko
Publication of KR20110087090A publication Critical patent/KR20110087090A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101140361B1 publication Critical patent/KR101140361B1/ko

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Hybrid Cells (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 입자 표면에 수산기를 갖는 금속 산화물(metal oxide)의 콜로이드 용액; 및 금속 알콕사이드(metal alkoxide)의 가수분해물인 금속 하이드록사이드(metal hydroxide)의 콜로이드 용액을 포함하는 광전극 형성용 조성물; 상기 조성물을 사용한 금속 산화물층을 포함하는 태양전지용 광전극; 및 상기 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 광전극 형성용 조성물에 금속 산화물과 금속 하이드록사이드를 첨가함으로써, 통상적인 고분자 바인더 없이도 기판 상에 코팅 가능한 정도의 높은 점도를 나타내어, 이를 사용하여 170 ℃ 이하의 온도에서 광전극을 보다 용이하게 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 조성물을 열처리하는 과정에서 금속 하이드록사이드와 금속 산화물 입자간 화학반응(축합반응)에 의해 금속 산화물 입자간의 상호 연결성이 향상되어 광전극의 전자 전달 효율이 우수한 장점이 있다.

Description

광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지 {COMPOSITION FOR PHOTO-ELECTRODES, PHOTO-ELECTRODES AND DEY-SENSITIZED SOLAR CELLS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 고분자 바인더를 포함하지 않는(polymer binder-free) 광전극 형성용 조성물, 이로부터 제조되는 광전극 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로, 염료감응 태양전지용 광전극은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 조성물을 기판 상에 도포하고, 소결(sintering)하는 방법으로 제조된다.
즉, 기존의 광전극 형성용 조성물은 수열 반응(hydrothermal reaction)을 통해 타이타늄 산화물(TiO2) 등의 금속 산화물 나노입자의 콜로이드 용액을 합성한 후, 상기 콜로이드 용액에 적당량의 고분자 바인더(polymer binder)를 혼합하는 방법으로 제조된다. 이때 상기 고분자 바인더는 광전극 형성용 조성물에 높은 점도를 부여함으로써, 조성물이 기판 상에 균일하게 도포될 수 있도록 한다.
위와 같이 제조된 광전극 형성용 조성물은 전도성 기판 위에 코팅되고, 상기 기판은 약 500 ℃의 온도에서 열처리(소결)된다.
이때, 기판을 고온에서 열처리 하는 이유는 고분자 바인더를 열분해시킴으로써 전해질이 통과할 수 있는 기공을 형성시킴과 동시에, 금속 산화물 나노입자와 기판과의 접착력을 증대시키고, 금속 산화물 나노입자간 상호 연결(necking, interconnection)을 유도함으로써 전자 전달 효율을 향상시키기 위함이다. 즉, 금속 산화물 나노입자만으로는 입자간 상호 연결에 한계가 있다.
하지만, 상기 고온 열처리 방법은 플라스틱 기판을 사용하는 경우는 적용이 어렵다.　 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI) 등 광전극용 기판 또는 고분자 바인더 등에 사용되는 범용 플라스틱은 대부분 170 ℃ 이하의 내열온도를 갖기 때문이다.
따라서, 170 ℃ 이하의 온도에서 광전극을 제조하기 위해서는 고분자 바인더가 첨가되지 않은 저온 코팅용 산화물 페이스트가 필요하다.
그에 따라 고온 소성법 대신 저온에서 플라스틱 기판 위에 광전극을 형성시키는 방법에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면, 고분자 바인더를 포함하지 않는 조성물을 기판 상에 코팅한 후 압착하는 방법(프레스법) 등이 있다.　
하지만, 상기 방법을 이용할 경우, 금속 산화물 나노입자 간의 상호 연결(interconnection)을 치밀하게 유도하는데 한계가 있기 때문에, 염료로부터 주입된 전자가 산화물 나노입자 사이를 원활하게 통과할 수 없고, 그에 따라 전자 전달 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 통상적인 고분자 바인더 없이도(polymer binder free) 기판 상에 코팅 가능한 정도의 높은 점도를 나타냄에 따라, 이를 사용하여 170 ℃ 이하의 온도에서 광전극을 용이하게 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 금속 산화물 입자간 상호 연결성이 우수하여 전자 전달 효율이 우수한 광전극 형성용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물이 기판 상에 도포된 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 구현예에 따라
입자 표면에 수산기를 갖는 금속 산화물(metal oxide)의 콜로이드 용액(제1콜로이드 용액); 및
금속 알콕사이드(metal alkoxide)의 가수분해물인 금속 하이드록사이드(metal hydroxide)의 콜로이드 용액(제2콜로이드 용액)
을 포함하는 광전극 형성용 조성물을 제공한다.
상기 금속 산화물은 단위표면적당(nm2) 수산기 수가 2 내지 10 개인 것일 수 있다.
상기 금속 산화물과 금속 하이드록사이드는 평균입경이 각각 1 내지 400 nm일 수 있으며, 바람직하게는 금속 산화물의 평균입경은 10 내지 100 nm, 금속 하이드록사이드의 평균입경은 2 내지 9 nm일 수 있다.
또한, 상기 제1콜로이드 용액은 금속 산화물의 함량이 10 내지 30 중량%일 수 있고, 상기 제2콜로이드 용액은 금속 하이드록사이드의 함량이 5 내지 25 중량%일 수 있다.
또한, 상기 조성물은 상기 제1콜로이드 용액 100 중량부에 대하여 제2콜로이드 용액 10 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물(metal oxide)은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 제2콜로이드 용액은 금속 알콕사이드(metal alkoxide)를 전구체로 하여 졸-겔(sol-gel)법으로 제조한 것으로서, 상기 금속 알콕사이드는 타이타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide), 타이타늄 테트라클로라이드(Titanium Tetrachloride), 타이타늄 나이트레이트(titanium nitrate) 및 타이타늄 설페이트(titanium sulfate)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
한편, 본 발명은 다른 구현예에 따라 상기 광전극 형성용 조성물을 사용한 금속 산화물층을 포함하는 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법을 제공한다.
상기 광전극의 제조방법은, 광전극 형성용 조성물을 제조하는 단계; 상기 조성물을 기판 상에 도포하는 단계; 상기 조성물이 도포된 기판을 20 내지 170 ℃에서 건조 및 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 기판을 감광성 염료 용액에 침지하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 또 다른 구현예에 따라 상기 광전극, 상대 전극, 및 상기 두 전극 사이에 개재된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명의 구현예들에 따른 광전극 형성용 조성물, 상기 조성물을 사용하여 제조한 광전극, 상기 광전극의 제조방법, 및 상기 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명자들은 170 ℃ 이하에서의 신터링(sintering)에 의한 광전극의 형성에 대한 연구를 거듭하는 과정에서, 광전극 형성용 조성물에 금속 산화물(metal oxide) 및 금속 하이드록사이드(metal hydroxide)를 포함시킬 경우, 통상적인 고분자 바인더 없이도 기판 상에 코팅 가능한 정도의 높은 점도를 나타낼 뿐만 아니라, 상기 조성물을 열처리하여 광전극의 금속 산화물층을 형성시킬 경우 금속 하이드록사이드와 금속 산화물 입자간 화학반응(축합반응)에 의해 금속 산화물 입자간의 상호 연결성이 향상되어 광전극의 전자 전달 효율이 우수함을 알아내어, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 일 구현예에 따라
입자 표면에 수산기를 갖는 금속 산화물(metal oxide)의 콜로이드 용액(제1콜로이드 용액); 및
금속 알콕사이드(metal alkoxide)의 가수분해물인 금속 하이드록사이드(metal hydroxide)의 콜로이드 용액(제2콜로이드 용액)
을 포함하는 광전극 형성용 조성물을 제공한다.
상기 금속 산화물(metal oxide)은 염료감응 태양전지의 광전극에서 염료를 흡착시키기 위해 첨가되는 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것을 사용할 수 있다.
이를 특별히 제한하는 것은 아니나, 상기 금속 산화물은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 타이타늄(Ti)산화물, 징크(Zn)산화물, 텅스텐(W)산화물, 및 틴(Sn)산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
특히, 상기 금속 산화물은 입자 표면에 수산기를 갖는 것이 바람직하고, 입자 표면에 위치하는 수산기의 수는 후술할 금속 하이드록사이드와의 반응성에 영향을 미치는바, 수산기의 수가 많을수록 유리하며, 바람직하게는 금속 산화물의 단위표면적(nm2)당 수산기 수 2 개 이상, 보다 바람직하게는 2 내지 10 개, 가장 바람직하게는 2 내지 6 개인 것을 사용할 수 있다.
즉, 금속 하이드록사이드와의 최소한의 반응성을 부여하기 위하여, 금속 산화물의 단위표면적(nm2)당 수산기의 수는 2 개 이상인 것이 바람직하며, 금속 산화물의 단위표면적(nm2) 내에 물리적으로 위치할 수 있는 수산기의 수를 감안하여 10 개 이하인 것이 바람직하다.
이때, 입자 표면에 수산기를 갖는 금속 산화물의 종류는 전술한 금속 산화물 군에서 선택되는 것이면 그 구성에 제한을 받지 않는바, 이를 특별히 제한하지 않는다.
상기 금속 하이드록사이드(metal hydroxide)은 광전극 제조과정에서 열처리에 의해 금속 산화물과 축합반응이 가능한 물질로서, 축합반응에 의해 상기 금속 산화물 입자 상호간의 연결(interconnection)을 유도할 수 있는 무기 바인더(interparticle inorganic binder) 역할을 하는 성분이다.
뿐만 아니라, 상기 금속 하이드록사이드는 입자간 수소결합에 의해 조성물의 점도를 향상시키는 효과가 있기 때문에, 본 발명에 따른 광전극 형성용 조성물은 통상적으로 사용되는 고분자 바인더를 첨가하지 않더라도 기판 상에 코팅 가능한 정도의 높은 점도를 나타낼 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 금속 하이드록사이드는 금속 알콕사이드(metal alkoxide)의 가수분해물로서, 상기 금속 알콕사이드를 전구체로 하여 졸-겔(sol-gel)법을 통해 제조할 수 있으며, 자세한 제조방법은 후술한다.
상기 금속 알콕사이드는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 타이타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide), 타이타늄 테트라클로라이드(Titanium Tetrachloride), 타이타늄 나이트레이트(titanium nitrate), 및 타이타늄 설페이트(titanium sulfate)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 타이타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide)일 수 있다.
상기 금속 산화물 및 금속 하이드록사이드의 평균입경은 각각 1 내지 400 nm일 수 있다. 이때 금속 산화물에 의한 전자 전달 효율을 감안하여, 금속 산화물보다 무기 바인더 역할을 하는 금속 하이드록사이드의 평균입경이 작은 것이 바람직하다.
즉, 상기 금속 산화물의 평균입경은 1 내지 400 nm, 바람직하게는 10 내지 100 nm, 보다 바람직하게는 10 내지 50 nm, 가장 바람직하게는 10 내지 30 nm일 수 있다.
또한, 상기 금속 하이드록사이드는 후술할 제2콜로이드 용액 제조시 전구체인 금속 알콕사이드의 가수분해를 동반한 축합반응 과정에서 입자상으로 얻어지는 것으로서, 이때 상기 금속 하이드록사이드의 평균입경은 1 내지 400 nm, 바람직하게는 10 nm 미만, 보다 바람직하게는 2 내지 9 nm, 가장 바람직하게는 3 내지 8 nm일 수 있다.
한편, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 조성물은 금속 산화물이 고르게 분산된 제1콜로이드 용액과, 금속 하이드록사이드가 고르게 분산된 제2콜로이드 용액을 혼합하는 방법으로 제조될 수 있다.
이때, 상기 제1콜로이드 용액 및 제2콜로이드 용액은 각각 제조될 수 있으므로, 그 제조 순서에 의해 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
상기 제1콜로이드 용액은 전술한 금속 산화물을 에탄올 등의 용매에 고르게 분산시키는 방법으로 제조할 수 있다. 상기 금속 산화물에 대해서는 전술한 내용으로 갈음한다.
이때, 상기 제1콜로이드 용액은 용액 내 금속 산화물의 함량이 10 내지 30 중량%, 바람직하게는 15 내지 25 중량%가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2콜로이드 용액은 금속 알콕사이드(metal alkoxide)를 전구체로 하여 졸-겔(sol-gel)법으로 제조할 수 있다.
상기 졸-겔(sol-gel)법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 방법으로 수행할 수 있으므로 이를 특별히 제한하지 않으나, 예를 들면, 상기 금속 알콕사이드와 프로판올 등의 알코올을 혼합한 후, 거기에 산촉매와 증류수를 적가하고, 이를 교반하는 방법으로 제조할 수 있다. 보다 상세한 제조방법은 실시예 부분에 기술한다.
이때, 상기 제2콜로이드 용액은 용액 내 금속 하이드록사이드의 함량이 5 내지 25 중량%, 바람직하게는 10 내지 20 중량%가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 콜로이드 용액을 혼합하는 단계는 제1콜로이드 용액 100 중량부에 대하여; 제2콜로이드 용액 10 내지 30 중량부, 바람직하게는 10 내지 25 중량부, 보다 바람직하게는 10 내지 20 중량부가 되도록 수행할 수 있다.
즉, 상기 제2콜로이드 용액은 금속 산화물 입자간 상호 연결성 향상 효과를 부여하기 위해, 제1콜로이드 용액 100 중량부에 대하여 10 중량부 이상으로 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2콜로이드 용액의 과량 첨가에 따라 광전극의 전자 전달 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위해, 제1콜로이드 용액 100 중량부에 대하여 30 중량부 이하로 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 또 다른 구현예에 따라 상기 광전극 형성용 조성물을 사용한 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법을 제공한다.
상기 광전극은 본 발명에 따른 광전극 형성용 조성물을 사용하여 금속 산화물층을 형성시킨 것을 제외하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 방법으로 제조할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 광전극은
전술한 광전극 형성용 조성물을 제조하는 단계;
상기 조성물을 기판 상에 도포하는 단계;
상기 조성물이 도포된 기판을 20 내지 170 ℃에서 건조 및 열처리하는 단계; 및
상기 열처리된 기판을 감광성 염료 용액에 침지하는 단계
를 포함하는 방법으로 제조할 수 있다.
먼저, 상기 광전극 형성용 조성물의 제조단계는 전술한 내용으로 갈음한다.
상기 조성물을 기판 상에 도포하는 단계에서, 상기 기판은 유리 기판, 전도성 유리 기판, 전도성 플라스틱 기판, 전도성 금속 기판, 반도체 기판, 및 부도체 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 기판 상에 조성물을 도포하는 방법은 닥터 블레이드법, 스퍼터링법, 스프레이법, 스핀코팅법 등을 이용할 수 있다.
이때, 상기 조성물의 도포 두께는 광전극에서 효율적으로 광전류가 발생될 수 있도록 하기 위하여, 5 내지 20 ㎛가 되도록 도포하는 것이 바람직하다.
상기 기판을 건조 및 열처리하는 단계는 광전극 형성용 조성물 내의 금속 산화물과 금속 하이드록사이드 간의 축합 반응(condensation reaction)을 유도하는 단계로서, 이를 통해 통상의 고분자 바인더 없이도 금속 산화물 간의 결합성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 상기 기판을 건조 및 열처리하는 단계에서 금속 하이드록사이드와 금속 산화물 입자간 축합반응에 의해 금속 산화물 입자간의 상호 연결성이 증대되는 과정을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
이때, 상기 건조 및 열처리 온도는 사용되는 기판의 열적 성질(내열 온도 등)을 감안하여 조절할 수 있으며, 유리 소재의 기판을 사용할 경우 상온 내지 600 ℃, 플라스틱 소재의 기판을 사용할 경우 상온 내지 170 ℃, 바람직하게는 20 내지 170 ℃로 조절할 수 있다.
상기 열처리된 기판을 감광성 염료 용액에 침지하는 단계는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 감광성 염료를 포함하는 용액을 사용할 수 있으며, 태양에너지에 의해 에너지 준위가 들뜬 상태로 전환될 수 있는 염료이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 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 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은 또 다른 구현예에 따라 상기 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
상기 염료감응 태양전지는 본 발명에 따른 광전극을 포함하는 것을 제외하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 구성을 가질 수 있으며, 바람직하게는 상기 광전극, 상대 전극, 및 상기 두 전극 사이에 개재된 전해질을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광전극 형성용 조성물에 금속 산화물과 금속 하이드록사이드를 첨가함으로써, 통상적인 고분자 바인더 없이도 기판 상에 코팅 가능한 정도의 높은 점도를 나타내어, 이를 사용하여 170 ℃ 이하의 온도에서 광전극을 보다 용이하게 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 조성물을 열처리하는 과정에서 금속 하이드록사이드와 금속 산화물 입자간 화학반응 (축합반응)에 의해 금속 산화물 입자간의 상호 연결성이 향상되어 광전극의 전자 전달 효율이 우수한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광전극 형성용 조성물의 건조 및 열처리 과정에서, 금속 하이드록사이드와 금속 산화물 입자간 화학반응(축합반응)에 의해 금속 산화물 입자간의 상호 연결성이 증대되는 과정을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 광전극 형성용 조성물 및 이를 포함하는 광전극의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 하이드록사이드를 포함하는 콜로이드 용액의 점도를 시각적으로 확인하기 위한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 광전극을 투과 전자 현미경(TEM)으로 확대 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 광전류밀도-전압 특성을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
광전극 형성용 조성물의 제조
1) 평균입경 21 nm인 타이타늄 산화물(제조사: Degussa, 상품명: P25) 1 g을 에탄올 4 g에 고르게 분산시켜 금속 산화물을 포함하는 제1콜로이드 용액을 제조하였다.
2) 이어서, 다음과 같은 방법으로 제2콜로이드 용액을 제조하였다.
우선, 타이타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide, 97% Aldrich) 37 ml와 2-프로판올(2-propanol) 10 ml를 혼합한 후, 거기에 아세트산 80 ml 및 증류수 250 g의 혼합용액을 천천히 적가하였다. 이를 90 ℃에서 4 시간 동안 교반하여, 타이타니아 하이드록사이드를 포함하는 타이타니아졸을 제조하였고, 타이타니아 하이드록사이드의 농도가 15 중량%가 되도록 용액의 양을 조절하여 제2콜로이드 용액을 제조하였다.
3) 이어서, 상기 제1콜로이드 용액 5 g, 및 제2콜로이드 용액 1 g을 균일하게 혼합하여 광전극 형성용 조성물을 제조하였다.
광전극의 제조
닥터 블레이드법(doctor-blade method)을 이용하여, 상기 광전극 형성용 조성물을 투명 전도성 유리기판(Pilkington TEC 8)에 7 ㎛ 두께로 코팅하였다.
이어서, 상기 기판을 실온에서 건조시킨 후, 150 ℃에서 1 시간 동안 열처리하여 광전극 형성용 조성물 내 타이타늄 하이드록사이드 입자의 탈수(축합)반응을 유도하였다.
이어서, 상기 열처리된 기판을 루테늄(Ru) 계열의 감광성 염료인 [bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato)-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine) ruthenium(II)] 0.5 mM을 포함하는 에탄올 용액에 2 시간 동안 50 ℃ 조건에서 침지하여, 금속 산화물 입자 표면에 감광성 염료가 흡착된 광전극을 제조하였다.
염료감응 태양전지의 제조
상기 방법으로 제조한 광전극에 상대전극을 합착시 켰다. 상대전극은 H2PtCl6 용액을 스핀 코터로 투명 전도성 유리기판(Pilkington TEC 8)에 코팅하였고, 400 ℃에서 20 분 동안 열처리하여 백금이 코팅된 상대전극을 제조하였다. 이후 PMII(0.7 M) 및 I2(0.03 M)을 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[ 비교예 ]
광전극 형성용 조성물의 제조
상기 실시예와의 대조군 실험을 위하여, 금속 산화물을 포함하고, 금속 하이드록사이드를 포함하지 않는 광전극 형성용 조성물을 제조하였다.
즉, 평균입경 21 nm인 타이타늄 산화물(제조사: Degussa, 상품명: P25) 1 g을 에탄올 4 g에 고르게 분산시켜 금속 산화물을 포함하는 제1콜로이드 용액을 제조하였고, 이를 광전극 형성용 조성물로 사용하였다.
광전극의 제조
실시예와 동일한 방법으로 광전극을 제조하였다.
염료감응 태양전지의 제조
실시예와 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[ 시험예 ]
제2콜로이드 용액 내 타이타늄 하이드록사이드 입자의 결정구조 관찰
실시예에서 제조한 제2콜로이드 용액을 원심분리 한 후, 50 ℃에서 24 시간 동안 건조하여, X-레이 회절분석법(XRD)을 통해 입자의 결정구조를 관찰하였다.
타이타늄 하이드록사이드 입자의 축합반응에 의해 합성된 타이타늄 산화물 입자는 순수한 아나타제 상(anatase phase)으로 구성되어 있었으며, Scherrer 방정식을 이용하여 평균입경을 계산한 결과 약 5 nm 였다.
제2콜로이드 용액의 점도 확인
실시예에서 제조한 금속 하이드록사이드를 포함하는 제2콜로이드 용액의 점도를 시각적으로 확인하기 위하여 다음과 같은 시험을 하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에서, (a)는 상기 제2콜로이드 용액을 용기에 담에 일정시간 정치 후 용기를 뒤집어 놓은 상태로서, 용기를 거꾸로 세웠음에도 불구하고 콜로이드 용액의 높은 점도로 인해 아래쪽으로 흘러내리지 않았다.
이러한 현상은 제2콜로이드 용액 내의 금속 하이드록사이드 입자 표면에 다수의 수산기(hydroxyl group)가 존재함에 따른 입자간 수소결합에 기인하는 것으로 판단된다. 입자 표면에 존재하는 다수의 수산기는 차후 입자간 축합반응이 충분히 진행될 수 있음을 뒷받침하는 증거이기도 하다.
한편, 도 3의 (b)는 (a)상태의 용기를 흔든 후 관찰한 것으로서, 제2콜로이드 용액을 흔들게 되면 점도가 순간적으로 감소하여 용기를 뒤집을 경우 중력에 의해 지면쪽으로 가라 앉게 됨을 알 수 있다. 이는 입자간 수소결합이 흔듬(shaking)에 의해 깨지기 때문으로 판단된다.
광전극 내 입자간 결합상태 관찰
실시예의 광전극 제조단계에서, 열처리된 기판을 감광성 염료 용액에 침지하기 전에, 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 광전극 내 금속 입자간 결합상태를 관찰하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4의 (a)는 다수의 금속 산화물 나노입자(1)가 결합된 상태를 관찰한 것이다. 특히, 도 4의 (b)는 (a)상태를 보다 고배율로 관찰한 것으로서, 금속 산화물(1) 사이에 금속 하이드록사이드(2)가 결합되어 있음을 확인할 수 있다.
이는 금속 하이드록사이드(2) 표면의 수산화기와 금속산화물(1) 표면의 수산화기 사이의 축합 반응에 기인하는 것으로서, 이를 통해 금속 산화물(1) 입자의 결합력이 보다 향상될 것으로 판단된다.
염료감응 태양전지의 광전 특성 측정
실시예 및 비교예를 통해 제조한 각각의 염료감응 태양전지에 대하여, 광전 특성(광전류 밀도, 개방전압, 충진계수, 에너지 변환효율)을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 5에 나타내었다.
이때, AM 1.5 (100 ㎽/㎠)의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프, Keithley SMU 2400)를 이용하여 측정하였고, 측면에서 들어오는 산란관을 막기 위해 활성 면적(약 0.45 ㎠)을 제외한 부분은 검정색 마스크로 차폐시켰다.
광전류밀도(Jsc)
(mA/㎠)		 개방전압(Voc)
(mV)		 충진계수
(%)		 에너지
변환효율(%)
실시예 6.87 763 70.94 3.71
비교예 5.50 763 71.12 2.98
표 1에 나타낸 바와 같이, 금속 산화물만을 포함하는 조성물을 사용한 비교예에 비하여, 실시예는 금속 산화물 및 금속 하이드록사이드를 포함하는 조성물을 사용함에 따라, 광전류 밀도의 상승에 의해 에너지 변환효율이 약 25 % 향상되었음을 알 수 있다.
이처럼, 실시예에 따른 태양전지의 에너지 변환효율 상승 원인은 주로 광전류 밀도의 상승에 기인하는 것으로서, 금속 하이드록사이드가 금속 산화물과 축합반응에 의해 금속 산화물 입자 사이에서 무기 바인더 역할을 함에 따라, 통상적인 고분자 바인더 없이도 금속 산화물 입자간의 상호 연결성을 증대시킨 결과로 판단된다.
1: 금속 산화물
2: 금속 하이드록사이드

Claims (15)

  1. 입자 표면에 단위표면적당(nm2) 2 내지 10 개의 수산기를 갖는 금속 산화물(metal oxide)의 콜로이드 용액(제1콜로이드 용액); 및
    금속 알콕사이드(metal alkoxide)의 가수분해물인 금속 하이드록사이드(metal hydroxide)의 콜로이드 용액(제2콜로이드 용액)
    을 포함하는 광전극 형성용 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 및 금속 하이드록사이드는 각각 평균입경이 1 내지 400 nm인 광전극 형성용 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 평균입경이 10 내지 100 nm이고, 상기 금속 하이드록사이드는 평균입경이 2 내지 9 nm인 광전극 형성용 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1콜로이드 용액은 금속 산화물의 함량이 10 내지 30 중량%인 광전극 형성용 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2콜로이드 용액은 금속 하이드록사이드의 함량이 5 내지 25 중량%인 광전극 형성용 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1콜로이드 용액 100 중량부에 대하여 제2콜로이드 용액 10 내지 30 중량부를 포함하는 광전극 형성용 조성물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 광전극 형성용 조성물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제2콜로이드 용액은 금속 알콕사이드(metal alkoxide)를 전구체로 하여 졸-겔(sol-gel)법으로 제조한 것인 광전극 형성용 조성물.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드(metal alkoxide)는 타이타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide), 타이타늄 테트라클로라이드(Titanium Tetrachloride), 타이타늄 나이트레이트(titanium nitrate) 및 타이타늄 설페이트(titanium sulfate)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 광전극 형성용 조성물.
  11. 제 1 항에 따른 광전극 형성용 조성물을 제조하는 단계;
    상기 조성물을 기판 상에 도포하는 단계;
    상기 조성물이 도포된 기판을 20 내지 170 ℃에서 건조 및 열처리하는 단계; 및
    상기 열처리된 기판을 감광성 염료 용액에 침지하는 단계
    를 포함하는 태양전지용 광전극의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 기판은 유리 기판, 전도성 유리 기판, 전도성 플라스틱 기판, 전도성 금속 기판, 반도체 기판, 및 부도체 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 태양전지용 광전극의 제조방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 기판을 건조 및 열처리하는 단계는 광전극 형성용 조성물 내의 금속 산화물과 금속 하이드록사이드 사이의 축합 반응(condensation reaction)을 유도하는 것인 태양전지용 광전극의 제조방법.
  14. 제 1 항에 따른 광전극 형성용 조성물을 사용한 금속 산화물층을 포함하는 태양전지용 광전극.
  15. 제 14항에 따른 광전극, 상대 전극, 및 상기 두 전극 사이에 개재된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지.

KR1020100006556A 2010-01-25 2010-01-25 광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지 KR101140361B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100006556A KR101140361B1 (ko) 2010-01-25 2010-01-25 광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100006556A KR101140361B1 (ko) 2010-01-25 2010-01-25 광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110087090A KR20110087090A (ko) 2011-08-02
KR101140361B1 true KR101140361B1 (ko) 2012-05-03

Family

ID=44925979

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100006556A KR101140361B1 (ko) 2010-01-25 2010-01-25 광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101140361B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020080542A (ko) * 2001-04-16 2002-10-26 삼성에스디아이 주식회사 투명 도전막의 보호막 형성용 조성물 및 이로부터제조되는 투명 도전막
KR100656365B1 (ko) * 2005-11-18 2006-12-13 한국전자통신연구원 염료감응 태양전지의 반도체 전극용 비수용성 페이스트조성물, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지
KR20090091869A (ko) * 2008-02-26 2009-08-31 한국과학기술연구원 다파장 흡수 나노 구조 염료감응 태양전지 및 그 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020080542A (ko) * 2001-04-16 2002-10-26 삼성에스디아이 주식회사 투명 도전막의 보호막 형성용 조성물 및 이로부터제조되는 투명 도전막
KR100656365B1 (ko) * 2005-11-18 2006-12-13 한국전자통신연구원 염료감응 태양전지의 반도체 전극용 비수용성 페이스트조성물, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지
KR20090091869A (ko) * 2008-02-26 2009-08-31 한국과학기술연구원 다파장 흡수 나노 구조 염료감응 태양전지 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110087090A (ko) 2011-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100927212B1 (ko) 속빈 구 형태의 금속산화물 나노입자를 포함하는 염료감응태양전지용 광전극 및 이의 제조방법
KR100838158B1 (ko) 메조 다공성 금속산화물 박막을 포함하는 염료감응태양전지용 광전극 및 이의 제조방법
Zhang et al. Hydrothermal preparation of porous nano-crystalline TiO2 electrodes for flexible solar cells
Lim et al. A study of TiO 2/carbon black composition as counter electrode materials for dye-sensitized solar cells
KR100947371B1 (ko) 다파장 흡수 나노 구조 염료감응 태양전지 및 그 제조방법
Chang et al. Optimization of dye adsorption time and film thickness for efficient ZnO dye-sensitized solar cells with high at-rest stability
KR100928941B1 (ko) 염료감응 태양전지와 이의 제조방법
Sahu et al. Synthesis and application of core-shell Au–TiO2 nanowire photoanode materials for dye sensitized solar cells
Liu et al. Investigation of low temperature processed titanium dioxide (TiO2) films for printed dye sensitized solar cells (DSSCs) for large area flexible applications
US20090032104A1 (en) Dye-sensitized solar cell having improved energy conversion efficiency and method of fabricating the same
KR20130027000A (ko) 염료감응 태양전지용 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지
KR20080079894A (ko) 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
KR101234239B1 (ko) 염료감응 태양전지 및 그 제조방법
US9299504B2 (en) Preparation method of low temperature sintering active electrode paste for dye sensitized solar cell
KR101084208B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지
KR100656365B1 (ko) 염료감응 태양전지의 반도체 전극용 비수용성 페이스트조성물, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지
KR101253563B1 (ko) 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법
Toe et al. Effect of TiO 2 sol on the conversion efficiency of TiO 2 based dye-sensitized solar cell
AU2006228076C1 (en) Composition for semiconductor electrode sintered at low temperature and dye-sensitized solar cell comprising the composition
KR101274948B1 (ko) 다공성 전이금속 산화물 구조체, 상기의 제조 방법, 상기를 포함하는 광전극, 및 상기 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지
WO2009048267A2 (en) Photoelectrode of dye-sensitized solar cell containing glass powder
WO2011102966A2 (en) Quasi-solid-state photoelectrochemical solar cell formed using inkjet printing and nanocomposite organic-inorganic material
KR101140361B1 (ko) 광전극 형성용 조성물, 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지
KR20090096067A (ko) 비드밀 분산기를 이용한 금속산화물 나노입자의 분산방법및 상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 염료감응태양전지
Bakhshayesh et al. Multi-layered architecture of electrodes containing uniform TiO2 aggregates layers for improving the light scattering efficiency of dye-sensitized solar cells

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160401

Year of fee payment: 5