KR101147453B1 - 가지형 공중합체를 템플레이트로 이용한 메조기공 이산화티타늄의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 - Google Patents

가지형 공중합체를 템플레이트로 이용한 메조기공 이산화티타늄의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 졸-겔 방법을 통한 메조기공 구조의 이산화티타늄의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에의 응용에 대한 것으로서, 보다 자세하게는 졸-겔 합성에 의해서 이산화티타늄을 제조함에 있어서, 템플레이트로 기존에 잘 알려진 블록공중합체를 이용하지 않고 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하여 메조기공 이산화티타늄을 제조하는 방법으로, 양쪽 친화성 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하고, 강한 산성 조건에서 Ti 전구체 용액과 함께 천천히 가수분해 및 축중합 반응시키는 상온에서의 숙성 단계를 거친 후 고온의 열을 가하여 높은 아나타제 결정성을 가지는 메조기공 구조의 이산화티타늄을 제조하는 방법, 상기 제조된 이산화티타늄을 코팅한 염료감응형 태양전지용 광전극 및 그 제조방법, 상기 전극을 사용한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
가지형 공중합체, 템플레이트, 이산화티타늄, 태양전지

Description

가지형 공중합체를 템플레이트로 이용한 메조기공 이산화티타늄의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지{Preparation method of titanium dioxide mesoporous films using graft copolymer and it use in photo-electrode of dye-sensitized solar cells}
본 발명은 가지형 공중합체를 템플레이트로 이용한 메조기공 이산화티타늄의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 졸-겔법을 이용한 이산화티타늄(TiO2, Titania)의 제조방법, 이를 이용한 염료감응형 태양전지용 광전극, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘 화합물 반도체와 같은 무기소재로 이루어진 태양전지와 유기물질을 포함하는 유기 태양전지(유기태양전지는 염료감응형 태양전지와 유기분자접합형 태양전지를 포함)로 나눌 수 있다.
이중 염료감응형 태양전지는 고효율의 에너지 변환과 저비용의 제조원가 때문에 차세대 대체 에너지원으로 인식되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 염료감응형 태양전지의 원형은 1991년 로잔 공과대학의 그라첼 등에 의하여 보고된 광전변환 소자 즉 태양전지(M. Graezel, Nature, 353, 737(1991))로서, 색소증감형 태양전지 또는 습식태양전지라고도 불린다. 염료감응형 태양전지는 염료 분자가 화학적으로 흡착된 나노입자 반도체 산화물 전극에 광을 조사함으로서 엑시톤(exiton)을 형성하고 이중 전자가 반도체 산화물의 전도띠로 주입되어 전류를 발생시키는 원리를 이용하고 있다.
일반적인 염료감응형 태양전지의 구조는 도전성 기판(유리 또는 플라스틱, 금속)위에 염료를 흡착할 수 있는 전극 소재의 막(예컨대, 산화티탄 다공질 막 등)을 만들고, 상기 막의 표면에 루테늄계 염료를 흡착시키며, 대향 전극을 만든 후, 양 전극간 사이에 전해질을 주입하여 하나의 셀을 형성시키는 것으로 이루어진다.
상기, 염료를 흡착할 수 있는 전극 소재로는 띠간격 에너지가 큰 반도체 나노결정 (직경 약 20 nm) 산화물을 주로 사용한다. 나노 크기의 물질을 사용하는 이유는 입자 크기 감소에 의한 비표면적 증가로 보다 많은 양의 광감응 염료분자를 흡착시킬 수 있기 때문이다. 입자의 크기가 수 나노미터 이하로 지나치게 작게 되면 염료 흡착량은 증가하지만, 반면 표면상태 수가 증가하여 재결합 자리를 제공하게 되는 단점도 가지고 있다. 따라서 산화물의 입자크기, 형상, 결정도, 미세구조 및 표면특성을 조절하는 기술은 염료감응 태양전지에서 핵심기술이라 할 것이다.
지금까지 연구되어온 산화물은 주로 TiO2, SnO2,ZnO, Nb2O5 등이다. 이들 물질 가운데 지금까지 가장 좋은 효율을 보이는 물질은 TiO2(Titania)로 알려져 있다. TiO2는 세가지 상(phase)이 알려져 있는데, 저온에서 안정한 브루카이트 (brookite) 상, 아나타제 (anatase) 상, 고온에서 안정한 루타일 (rutile) 상이 존재한다.
루타일상의 결정구조는 아나타제상의 결정구조에 비해 반응물의 흡착능력이 작으며[J. Phys. Chem., 94, (1990) 8222], 빛에 의해 생성된 전자와 정공의 재결합 속도가 느리기 때문에 아나타제의 결정구조보다 광촉매의 활성이 우수하지 못하다는 단점[J. Am. Chem. Soc., 103, (1981) 6324; J. Chem., 14,(1990) 265]이 있다. 따라서, 염료감응형 태양전지의 광전극에서 티타니아 산화물은 아타나테 결정상을 유지하는 것이 바람직할 것이다.
최근에는 금속 알콕사이드를 원료로 사용하여 미세한 입자크기를 갖고 응집상태의 제어가 가능한 졸-겔법에 관한 많은 연구가 보고되었다. 티탄금속(Ti)을 함유한 유기물 금속알콕사이드를 전구체로 사용하는 졸-겔법은 알콕사이드를 가수분해시킨 다음, 세정, 분리, 결정화 등의 공정을 거쳐 이산화티탄 분말을 제조하는 방법이다. 그러나 기존의 졸-겔법은 산화물 입자의 낮은 용해도 및 뭉침 현상으로 인해 불규칙적인 구조를 가지게 되었고 전극 내의 다공성 구조의 크기 및 분포를 조절하는데 많은 제한을 주었다. 이러한 다공성 구조의 불균일성은 전해질의 침투 및 효과적인 전자 전달 통로 형성에 제한적 요소로 작용하여 왔다. 특히, 점성이 높은 고분자 및 고체 전해질을 사용하여 태양전지의 장기 안정성을 높이려는 기존 의 연구 예(M. S. Kang, J. H. Kim, Y. J. Kim, J. G. Won, N. G. Park, Y. S. Kang, Chem. Commun., 2005, 889~891)에서 액체 전해질에 비해 매우 낮은 에너지 변환 효율을 보이는 것은 전해질의 침투가 제대로 이루어지지 않았음에 기인하는 것으로 여겨진다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도입한 블록공중합체를 템플레이트로 이용한 방법은 다공성 이산화티타늄 전극의 기공 크기를 구조적으로 조절하고, 광원의 산란효과를 증가시켜 더 많은 전자-홀 쌍을 생성시키고, 효과적인 전자전달 통로를 만들어주는 효과가 있었다 [Eduardo L. Crepaldi, Galo J. de A. A. Soler-Illia, David, Grosso, Florence Cagnol, Franois Ribot, Clment Sanchez, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125 (32), 9770-9786, Marke´ta Zukalova´, Arnosˇt Zukal, Ladislav Kavan, Mohammad K. Nazeeruddin, Paul Liska, and Michael Graetzel, Nano Lett. 2005, 5, 1789-1792.] 하지만, 블록 공중합체는 제조과정이 복잡하고 고가이어서 이를 대체할 새로운 공중합체가 필요하다. 따라서 본 특허에서는 보다 손쉽게 제조할 수 있는 가지형 공중합체를 템플레이트로 이용하여 다공성 이산화티타늄 전극을 제조하고자 한다.
본 발명에서는 블록 공중합체에 비해 쉽게 제조가 가능한 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용함으로써 메조기공 산화물 필름을 제조하고자 한다. 또한 본 발명의 다른 목적은 친수성 부분의 비율에 따라 산화티타늄의 입자 특성과 결정성을 제어할 수 있는 방법을 제공하고 높은 빛 투과도와 에너지 변환 효율을 가지는 염료감응 태양전지의 광전극 물질을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 점성이 높은 고분자 및 고체 전해질의 효율적 침투를 이용하여 염료감응 태양전지의 장기 안정성을 향상시키는 데에 있다.
친수성기와 소수성기를 포함하는 양쪽 친화성 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하되, 템플레이트의 친수성기 및 소수성기의 비율을 조절하여 입자 특성과 결정성이 제어된 이산화티타늄 박막을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, (a) 용매에 친수성기와 소수성기를 포함하는 양쪽 친화성 가지형 공중합체를 용해시켜 템플레이트 용액을 제조하는 단계; (b) Ti 전구체를 산성 용액에 넣고 교반하여 졸 용액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 졸 용액을 단계 (a)의 용액에 첨가하는 단계를 포함하는 이산화티타늄 박막의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 이산화티타늄의 제조시 템플레이트로 사용하는 양쪽친화성의 가지형 공중합체의 친수성 영역의 부분의 비율을 조절함으로써 이산화티타늄의 미세구조 및 결정성, 표면특성 및 기공의 크기를 조절할 수 있는 효과가 있으며, 이를 이용할 경우 높은 투과율과 고효율을 가지는 염료감응형 태양전지에 응용되는 광전극을 제조할 수 있는 특징을 가진다.
친수성기와 소수성기를 포함하는 양쪽 친화성 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하여, Ti 전구체로부터 이산화티타늄 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기 양쪽 친화성 가지형 공중합체에서 친수성기는 폴리(옥시에틸렌)메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 (메타)아크릴레이트, 히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 가수분해된 t-부틸 (메타)아크릴레이트, 아크릴아미드, N-비닐피롤리돈, 아미노스티렌, 스티렌 술폰산(styrene sulfonic acid), 메틸프로펜 술폰산, 술포프로필 (메타)아크릴레이트, 술포에틸 (메타)아크릴레이트, 술포부틸 (메타)아크릴레이트일 수 있으나, 이로 제한되지 않으며, 소수성기는 폴리비닐 클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴디클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌일 수 있으나, 이로 제한되지 않는다.
본 발명의 일태양에서, 양쪽 친화성 가지형 공중합체는 예컨대 하기 화학식 I의 구조일 수 있다:
[화학식 I]
Figure 112009076045634-pat00001
본 발명의 일태양에서, 양쪽 친화성 가지형 공중합체 중 친수성기:소수성기의 무게비는 구체적으로 1:0.3 내지 3이며, 상기 범위에서 바람직한 가지형 공중합체의 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일태양에서, Ti 전구체로는 Ti-(n)부톡시드, Ti-(n)에톡시드, Ti-(n)이소프로폭시드, Ti-(n) 프로폭시드, TiCl4 과 같은 화합물이 사용될 수 있고, 보다 구체적으로는 티타늄테트라이소프로폭사이드(Titanium tetraisopropoxide), TiCl4가 사용될 수 있으나, 이로 제한되지 않는다.
본 발명은 또한,
(a) 용매에 친수성기와 소수성기를 포함하는 양쪽 친화성 가지형 공중합체를 용해시켜 템플레이트 용액을 제조하는 단계;
(b) Ti 전구체를 산성 용액에 넣고 교반하여 졸 용액을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 졸 용액을 단계 (a)의 용액에 첨가하는 단계를 포함하는 이산화티타늄 박막의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일태양에서, 단계 (a)에서는 용매로 테트라하이드로퓨란, 노말메틸피롤리돈, 디메틸포름알데히드, 디메틸설포사이드 및 알코올류 또는 이들 용매를 혼합한 혼합 용매가 사용될 수 있으나, 이로 제한되지 않는다.
본 발명의 일태양에서, 템플레이트 및 Ti 전구체의 중량비는 구체적으로 1:2 내지 8, 보다 구체적으로 1:4 내지 6이다.
본 발명의 단계 (b)에서는, 양쪽 친화성 가지형 공중합체의 1중량부에 대해, 티타늄 전구체 2 내지 5 중량부와 산 1 내지 4 중량부, 용매 1 내지 4 중량부를 혼합하여 빠른 속도로 교반시켜 졸 용액을 만드는 축합 반응 단계를 포함한다.
상기 양쪽 친화성 가지형 공중합체: Ti 전구체 용액: 산: 용매의 몰비는 1:10 내지 30:0.1 내지10:10내지 40으로 구성되는 가지형 공중합체를 템플레이트로 이용한 다공성 이산화티타늄 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 템플레이트로 쓰이는 PVC-g-POEM 양쪽친화성 가지형 공중합체를 각각 소수성 부분과 친수성 부분의 비율을 달리하여 다공성 이산화티타늄의 구조와 결정성을 제어할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명에서 쓰인 양쪽친화성 가지형 공중합체인 고분자를 구성하는 단분자의 비율을 합성시 조절해줌으로써 쉽게 친수성 부분과 소수성 부분을 제어할 수 있는데, 이것을 템플레이트로 사용함으로써 고분자가 형성하는 패턴과 동일한 구조의 이산화 티타늄 구조를 얻을 수 있어 친수성 부분과 소수성 부분의 비율을 조절하여 이산화티타늄의 구조와 기공의 크기를 쉽게 제어할 수 있다.
본 발명은 상기 기재된 방법으로 제조된 이산화티타늄 박막을 포함하는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법으로 제조한 다공성 이산화티타늄을 광전극으로 적용할 경우, 전극 표면의 균일한 구조와 넓은 표면적을 가지게 되고, 광분산도와 투과성이 향상되며 염료 감응 태양전지에 적용할 경우 전자의 이동과 염료의 흡착이 향상되고 전자의 손실이 줄어들어 전류밀도가 증가하는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
1. 일반적 실시예
먼저 양쪽성 가지형 공중합체를 THF와 같은 적절한 용매에 녹인다. 그 다음 별도로 Ti전구체 (티타늄 테트라이소프로폭사이드)를 H2O/HCl가 소량 첨가되어 있는 적절한 용매에 녹인다. 두 용액을 3시간 이상 동안 적절히 혼합한 뒤 스핀코팅을 한 후, 450도 이상의 고온에서 소결하면 메조기공 TiO2 필름이 형성된다.
양쪽친화성 가지형 공중합체는 용매인 테트라하이드로퓨란과 물, 염산의 용액 속에서 마이셀 구조를 형성하는데, 친수성 부분과 소수성 부분의 비율에 따라 형성하는 마이셀의 크기와 구조가 달라진다. 또한 이러한 친수성 부분에 티타늄 입자를 결합시키고 열처리를 통해 상기 공중합체와 잔존물들을 제거함으로써 균일한 구조의 다공성 이산화티타늄을 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는 템플레이트와 티타늄 전구체의 축합 반응의 속도를 조절하기 위하여 염산을 첨가하였는데, 이것은 본 발명에서 쓰인 티타늄 테트라이소프로폭사이드의 급격한 가수분해 및 축중합 반응의 속도를 제어하고자 하는 것이다. 염산의 수소이온(H+)으로 인한 매우 강한 산성은 티타늄 전구체의 급격한 가수분해와 축중합속도를 저해하며 티타늄 입자의 응집을 막음으로써 분산성과 점도를 제어 할 수 있게 있다.
구체적으로, 졸-겔 합성법에 의해서 이산화티타늄을 제조하는 실험에서 Ti 전구체 (예컨대, 티타늄 테트라이소프로폭사이드)를 낮은 pH 에서 천천히 가수반응과 축중합 반응하여 얻어진 나노입자들을 기판에 스핀 코팅한다. 이 과정에서 고분자의 친수성과 소수성을 달리함으로써 입자의 표면 구조와 기공의 크기 및 표면 특성을 제어할 수 있다. 가지형 공중합체의 친수성과 소수성 부분의 비율은 공중합체의 ATRP합성시 친수성 단분자 (예컨대, POEM)과 소수성 단분자 (예컨대, PVC)의 비율을 달리함으로써 조절할 수 있다. Ti 전구체는 물과의 가수분해와 축중합반응 속도가 매우 빠르므로 강한 산성 하에서 반응속도를 제어한다. 상기 코팅된 박막은 숙성 과정을 거친 후 열처리를 통하여 (온도: 400℃, 시간: 2시간) 공중합체 및 잔존물들을 제거하고 결정도를 향상시킬 수 있다.
<실험예 1>
본 발명에서는 양쪽친화성 가지형 공중합체 내의 친수성 부분이 이산화티타늄의 구조에 미치는 영향을 알아보기 위하여 친수성 부분인 POEM와 소수성 부분인 PVC의 무게비가 3:7인 공중합체와 상기의 무게비가 4:6인 것, 그리고 상기의 무게비가 7:3인 공중합체를 각각 템플레이트로 사용하여 제조된 이산화티타늄 박막의 표면 구조와 기공의 크기를 FE-SEM으로 관찰하였다. 그 결과, POEM의 비율이 높아질수록 기공의 크기가 작아지고 구조가 균일함을 관찰하였으며, 큐빅 모양의 기공 들이 서로 연결되어 결정성을 나타냄을 관찰하였다 (도 3 참조).
<실험예 2>
상기의 실험에서 전구체인 티타늄 테트라이소프로폭사이드를 제외한 PVC-g-POEM 공중합체와 테트라하이드로퓨란, 물, 염산 용액을 같은 비율로 혼합하여 EF-TEM으로 확인한 결과 상기의 FE-SEM에서 관찰했던 열처리 후의 이산화티타늄의 표면 구조와 동일한 구조를 고분자 마이셀 구조에서 관찰할 수 있었다 (도 2 참조).
상기의 TEM에서 확인한 마이셀 구조는 소수성인 PVC부분이 뭉쳐 마이셀을 형성하고 POEM 사슬이 PVC 마이셀을 감싼 형태인데, 이산화티타늄이 친수성이기 때문에 POEM부분이 그대로 마이셀을 형성하고, PVC마이셀은 기공을 형성하는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 공중합체의 PVC의 무게비율이 높아서 마이셀의 크기가 커지면 열처리를 통해 생성된 이산화티타늄 기공의 크기는 커지고 조밀성도 줄어드는 현상을 뒷받침할 수 있는 결과이다.
또한, 본 발명은 상기 광전극을 채용한 염료감응형 태양전지를 제공한다. 이 염료감응 태양전지에서 쓰이는 염료는 루테늄 계열이 적당하다. 또한 본 발명의 이산화티타늄 박막을 광전극으로 채용한 염료감응형 태양전지의 전해질로는 액체형 혹은 고체형이 쓰일 수 있으며, 본 발명에서 템플레이트로 쓰인 양쪽친화성 가지형 공중합체를 고체형 전해질로 적용할 수 있다.
본 발명의 실험 예에서는 양쪽친화성 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하여 제작한 이산화티타늄 박막의 표면을 관찰하여 성공적으로 균일한 다공성 구조가 생성되었음을 확인할 수 있었다. (도 3 참조). 또한, 상기의 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하였을 때 생성된 이산화티타늄 박막은 높은 투명도를 가지며, 각각 다른 조성의 가지형 공중합체를 적용하면 같은 두께에서의 흡광도 또한 차이가 있음을 확인할 수 있었다. (도 4 참조) 이것은 표면 구조의 특성에 따라 빛의 산란도가 달라지기 때문으로 보인다.
더 나아가, 제작된 이산화티타늄 박막을 광전극으로 사용한 염료감응형 태양전지의 효율분석에서는 소수성 부분인 POEM의 무게비가 높은 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용한 경우, 그렇지 않은 것에 비하여 전류밀도가 향상됨을 알 수 있었다. (도 5 참조) 이것은 다공성 이산화티타늄 표면의 기공이 작아질수록 표면적이 커져 흡착될 수 있는 염료가 많아져 전하-전공 쌍을 많이 생성할 수 있기 때문이다. 또한 구조의 균일함이 전자의 전달에 손실을 줄여주는 역할을 하기 때문인 것으로 보인다.
<실시예 1> 이산화티타늄 박막의 제조
(1) 이산화티타늄 졸 용액의 형성단계
뚜껑이 있는 30ml 바이알에 상기 친수성기 : 소수성기의 무게비가 각각 3:7, 4:6. 7:3인 각각 다른 조성의 가지형 공중합체 5중량부를 100중량부의 테트라하이 드로퓨란에 60℃ 조건하에서 3시간 이상 용해시켰다.
깨끗하게 녹은 용액이 완성되면 상온으로 식힌 후 다른 바이알에 격렬히 교반되고 있는 티타늄 테트라이소프로폭사이드 16 중량부에 염산 11.3중량부와 물 11.3중량부를 한 방울씩 첨가시킨 후 15분 동안 교반하였다. 이 전구체 용액을 상기의 가지형 공중합체 용액에 한 방울씩 첨가한 후 3시간 동안 교반시켜 황금색의 졸 상태의 용액을 수득하였다.
(2) 이산화티타늄 박막층 형성 단계
이 단계에서는 FTO 유리기판에 상기의 졸 용액을 1500~2000RPM으로 스핀 코팅 방법으로 캐스팅하였다. 5시간~10시간의 숙성 단계를 거친 후 450℃ 에서 소성시켜 공중합체 템플레이트와 잔존물을 제거하며 결정성을 향상시켰다.
상기의 각각 다른 조성의 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하여 다공성 이산화티타늄 박막을 제조하여 관찰한 결과 가지형 공중합체의 친수성 부분인 POEM 부분의 조성비가 높을수록 생성되는 이산화티타늄 구조의 기공 크기가 줄어들고 구조가 균일해짐을 알 수 있었으며 PT 스퍼터링을 할 경우는 PT 나노입자들이 기공을 메워 크기가 더 작게 관찰됨을 알 수 있었다.
상기와 같이 가지형 공중합체를 템플레이트로 이용하면 균일한 기공과 넓은 표면적의 표면 특성을 가지는 다공성 이산화티타늄 박막을 제조할 수 있으며 양쪽 친화성 공중합체의 조성비에 따라 기공의 크기와 표면 특성을 제어할 수 있는 이점을 가진다.
(3) 염료 흡착 단계
상기와 같이 다공성 이산화티타늄 박막층을 형성한 광전극에서 상부의 이산화티타늄 상에 염료를 흡착시키는 단계이다. 염료로는 루테늄계 염료가 적당하며, 염료를 함유하는 용액에 상온에서 24시간 이상 혹은 50℃에서 2시간 이상 함침하였다.
(4) 전해질 캐스팅 및 태양전지 조립 단계
상기의 단계를 통해 염료가 흡착된 이산화티타늄 광전극을 알코올 용매에 의해 세척되어 염료 잔류물을 제거하고 50℃ 진공오븐에서 건조시켰다. 건조된 광전극층에 상기와 동일한 양쪽친화성 가지형 공중합체를 고분자 전해질로 채용한 전해액을 캐스팅한 후 상대 전극과 조립시킨 후 압력에 의하여 상기 고분자층이 상기 두 전극의 표면에 강하게 부착되게 하였다.
본 발명에서 제작된 염료감응형 태양전지는 태양 시뮬레이터(Solar simulator)를 통해 그 광특성을 분석하였다. 분석 결과 템플레이트로 쓰인 양쪽친화성 가지형 공중합체의 조성비에서 친수성 부분이 많아질수록 전류밀도가 높게 측정되었으며 이 결과는 작은 기공 크기로 인한 넓은 표면적이 많은 염료를 흡착할 수 있게 하여 전류밀도를 향상시키는 효과를 가져온 것으로 판단되며 균일한 구조는 전자의 이동에서 발생하는 손실을 줄여주는 이점이 있다. 또한 대조군으로 상용 제품인 Solaronix D20을 800nm의 비슷한 두께로 광전극으로 도입하여 광특성을 비교한 결과, 본 발명에서 제작된 염료감응형 태양전지의 광특성이 열린 회로 전압과 전류밀도, 채우기 비율(Fill factor)에서 모두 우수한 결과를 확인하였다.
도 1은 상기의 양쪽친화성 가지형 공중합체를 템플레이트로 이용한 다공성 이산화티타늄 박막의 제조과정을 순서도로 도시한 것이다.
도 2는 전구체인 티타늄 테트라이소프로폭사이드를 제외한, 이 단계를 통해 형성된 마이셀 형태의 가지형 공중합체 템플레이트의 모습을 EF-TEM으로 관찰한 사진이다.
도 3은 형성된 이산화티타늄 박막의 표면을 PT로 스퍼터링 하지 않고 그대로 관찰한 FE-SEM 사진이다.
도 4는 상기의 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하였을 때 생성된 이산화티타늄 박막의 자외 및 가시선 분광분석법 결과이다.
도 5는 상기의 이산화티타늄 박막을 광전극으로 도입하여 제작한 염료감응 태양전지의 태양전지 특성을 도시한 것이다.

Claims (8)

  1. 친수성기:소수성기의 무게비가 1:0.3 내지 3 인 양쪽 친화성 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용하여, Ti 전구체로부터 이산화티타늄 박막을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서
    친수성기는 폴리(옥시에틸렌)메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 (메타)아크릴레이트, 히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 가수분해된 t-부틸 (메타)아크릴레이트, 아크릴아미드, N-비닐피롤리돈, 아미노스티렌, 스티렌 술폰산 (styrene sulfonic acid), 메틸프로펜 술폰산, 술포프로필 (메타)아크릴레이트, 술포에틸 (메타)아크릴레이트 및 술포부틸 (메타)아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
    소수성기는 폴리비닐클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴디클로라이드 및 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 박막의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서
    Ti 전구체가 Ti-(n)부톡시드, Ti-(n)에톡시드, Ti-(n)이소프로폭시드, Ti-(n) 프로폭시드 및 TiCl4로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 박막의 제조방법.
  5. (a) 용매에 친수성기:소수성기의 무게비가 1:0.3 내지 3인 양쪽 친화성 가지형 공중합체를 용해시켜 템플레이트 용액을 제조하는 단계;
    (b) Ti 전구체를 산성 용액에 넣고 교반하여 졸 용액을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 졸 용액을 단계 (a)의 용액에 첨가하는 단계를 포함하는 이산화티타늄 박막의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서
    용매가 테트라하이드로퓨란, 노말메틸피롤리돈, 디메틸포름알데히드, 디메틸 설포사이드 및 알콜류로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 용매 또는 이들의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 박막의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서
    템플레이트 및 Ti 전구체의 중량비가 1:1 내지 10인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 박막의 제조방법.
  8. 제1항의 방법으로 제조된 이산화티타늄 박막을 포함하는 염료감응형 태양전지.
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