KR101170818B1 - 염료 감응형 태양전지의 광전극 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 FTO(Fluorine tin oxide)층 또는 ITO(Indium tin oxide)층이 코팅된 투명 유리판 위에 광전극 페이스트가 코팅되어 열처리되며, 염료가 흡착되는 염료 감응형 태양전지의 광전극에 있어서, 상기 금속산화물 페이스트에 전류흐름을 향상시키는 물질로서 초전도체가 첨가된 것을 특징으로 하는 광전극과,
염료 감응형 태양전지의 광전극 FTO층 또는 ITO층이 코팅되어 있는 투명 유리판 위에 광전극 페이스트를 코팅하는 코팅단계와; 광전극 페이스트가 코팅된 투명 유리판을 열처리하는 열처리 단계와; 열처리된 투명 유리판에 염료를 흡착시키는 흡착단계를 포함하는 염료 감응형 태양전지의 광전극 제조방법에 있어서, 상기 광전극 페이스트는 초전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 광전극 제조방법으로 이루어져,
염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

염료 감응형 태양전지의 광전극 및 그 제조방법{Photo-electrode of dye-sensitized solar cell And Method for producing of the photo-electrode of dye-sensitized solar cell}
본 발명은 전류흐름을 향상시키는 물질이 첨가된 염료 감응형 태양전지의 광전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
화석염료의 대량소비에 의한 온난화와 대기오염 등 지구 환경문제와 에너지 문제는 21세기에도 인류의 제일 중요한 과제로 떠오르고 있다. 태양전지는 깨끗하고 무한한 태양에너지를 가장 효율적인 에너지 형태로 직접 변환하기 때문에 지구상 어느 장소에서도 이용 가능하며, 에너지, 환경의 가장 근원적인 해결책이 될 것이로 기대되고 있다.
상기 태양 전지는 태양 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 전지로, 친환경적이고 에너지원이 무한하며 긴 수명을 가지는 장점이 있다. 이러한 태양 전지의 종류로 실리콘 태양 전지, 염료 감응형 태양 전지 등이 있다.
상기 실리콘 태양전지는 에너지 전환 효율은 높지만 고가의 태양전지 제조 장비로 인해 생산비가 많이 드는 문제점이 있다. 이에 따라 에너지 전환 효율은 조금 낮지만 낮은 생산비용을 기대할 수 있는 염료 감응형 태양전지에 대한 연구가 한창 진행 중이다.
상기 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)는 스위스의 그래첼 등이 1991년에 개발한 새로운 형태의 광전기화학 태양전지로서, 이러한 종래 염료감응형 태양전지는 일면에 광감응 염료가 흡착된 다공성 막을 갖추는 광전극, 광전극의 일면과 일정 간격을 두고 대향 배치되는 상대전극과, 광전극 및 상대전극 사이 공간에 충진되는 전해질을 포함하여 구성된다
그리고 상기 광감응 염료가 흡착된 다공성 막은 입사된 광에 의해 전자를 생성하며, 생성된 전자는 광전극으로 이동된다. 즉, 광전극에 입사된 태양광에 의하여 광감응 염료가 HOMO(Highest occupied Molecular Orbital)에서 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 상태로 들뜨게 되면서 전자가 생성되고, 이렇게 생성된 전자는 상대전극으로 전달되어 외부 회로로 이동하여 전기 에너지를 생성한다. 여기서 전자를 생성한 감광성 염료는 상대전극으로 공급한 전자의 양만큼 전해질로부터 산화-환원 반응에 의하여 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 된다. 이처럼 전해질은 전자가 부족해진 광감응 염료의 HOMO에 전자를 전달하는 매개체 역할을 수행한다.
여기서 상기 다공성 막은 일반적으로 나노 미터 수준의 평균 입경을 가지는 금속산화물을 포함하여 구성되며, 상기 금속산화물은 티타늄 산화물, 아연 산화물, 주석 산화물 등으로 구성된다.
상기와 같이 종래의 염료 감응형 태양전지에서는 에너지 변환 효율을 개선시키기 위하여 광전극 부분에 금속산화물은 티타늄 산화물, 아연 산화물, 주석 산화물과 같은 물질을 적용하거나 그들의 입자 모양을 구헝 모양이나 막대형태로 제조하고 결정상을 바꾸는방법을 적용한다. 하지만 이와 같은 광전극 물질에 대한 개선 방법은 에너지 변환효율을 높이는데 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료 감응형 태양전지의 광전극 및 그 제조방법을 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, FTO(Fluorine tin oxide)층 또는 ITO(Indium tin oxide)층이 코팅된 투명 유리판 위에 광전극 페이스트가 코팅되어 열처리되며, 염료가 흡착되는 염료 감응형 태양전지의 광전극에 있어서,
상기 광전극 페이스트에 전류흐름을 향상시키는 물질로서 초전도체가 첨가된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 광전극은, 상기 초전도체가 Nb3Ge, LaBaCuO, YBaCuO, TiBaCaCuO, HgBaCaCuO, BiSrCaCuO, LaSrCuO, NbN 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, FTO층 또는 ITO층이 코팅되어 있는 투명 유리판 위에 광전극 페이스트를 코팅하는 코팅단계와; 광전극 페이스트가 코팅된 투명 유리판을 열처리하는 열처리 단계와; 열처리된 투명 유리판에 염료를 흡착시키는 흡착단계를 포함하는 염료 감응형 태양전지의 광전극 제조방법에 있어서,
상기 광전극 페이스트는 초전도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 광전극 제조방법은, 상기 초전도체가 Nb3Ge, LaBaCuO, YBaCuO, TiBaCaCuO, HgBaCaCuO, BiSrCaCuO, LaSrCuO, NbN 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 광전극 제조방법, 상기 초전도체가 광전극 페이스트 전체 중량에 대하여 0.5~2.5중량%로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 광전극 제조방법은, 상기 코팅 단계는, FTO층 또는 ITO층이 코팅되어 있는 투명 유리판에 광전극 페이스트를 코팅하는 단계 이루어지고;
열처리단계는, 광전극 페이스트가 코팅된 광전극을 80℃에서 30분 동안 열처리하고, 이를 500℃로 승온하여 60분 동안 재차 열처리한 후, 재차 열처리된 광전극을 80℃의 온도로 낮추는 단계로 이루어지며;
흡착단계는, 열처리된 광전극이 염료액에 24시간 동안 침지되는 단계로 이루어지는 한편,
광전극 페이스트는, 이산화티타늄 1.3g에 99% 순도의 아세틸아세톤 10%(V/V) 0.35ml와 하이드록시프로필셀룰로이스 0.95g이 혼합되는 단계와; 이산화티타늄 혼합액이 증류수 5.4ml에 혼합되어 교반되는 단계와; 증류수에 혼합된 이산화티타늄 혼합액에 초전도체가 추가적으로 혼합되어 20분 동안 교반되는 단계를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 광전극에 초전도체를 첨가하면, 광전극 내부의 에너지 띠 간격에 변화가 생겨 태양전지의 개방전압이 상승하고, 초전도체가 계면 간의 저항을 줄여 줌으로 인해 전자가 수월히 이동하여 태양전지의 전류밀도가 상승하며, 이로 인해 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광전극 페이스트가 코팅된 광전극과 비교예의 광전극을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 광전극을 통해 제조된 염료 감응형 태양전지의 전류밀도, 개방전압, 필펙터, 에너지 변환 효율을 측정하여 그 결과를 나타낸 도면이다.
이하 첨부도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지가 광전극의 제조 방법은 다음과 같다.
우선 아나타제 나노입자를 갖는 이산화티타늄(TiO2)을 졸-겔 방법으로 합성하여 이산화티타늄을 제조한다.
이러한 이산화티타늄는, 15nm 크기의 결정이 모두 결정화 되어, 200~400nm 입자를 갖춘 졸 형태를 이룬다.
그리고 상기 이산화티타늄 1.3g에 계면활성제인 10%(V/V) 아세틸아세톤액(제조회사: 알드리치) 0.35ml와 하이드록시프로필셀룰로이스(분자량 80,000) 0.95g을 혼합하여, 이산화티타늄-혼합액을 이룬다. 이때 아세틸 아세톤액은 순도 99%의 아세틸 아세톤과 증류수가 1:9의 비율로 혼합되어 이루어진다.
이후 상기 이산화티타늄-혼합액을 증류수 5.4ml에 혼합하고, 이를 페이스트믹서를 이용하여 교반하며, 교반 중 발생되는 기포는 제거하여, 스크린프린터용 이산화티타늄 페이스트를 제조한다.
계속해서 상기 이산화티타늄 페이스트에 초전도체 0.5~10중량%를 첨가하고, 이를 다시 페이스트 믹서로 20분 정도 교반 및 탈포하여, 초전도체가 첨가된 광전극 페이스트를 제조한다.
상기 광전극 페이스트는 대체적으로 붉은 빛을 띠고 있으며, 초전도체 첨가량이 증가 될수록 점도가 증가한다. 이때 광전극 페이스트 제조 후 시간이 지남에 따라 중력에 의한 초전도체의 침전현상을 보임이 관찰된다.
상기와 같이 제조된 광전극 페이스트를 스크린 프린터를 사용하여 FTO(Fluorine tin oxide)층이 코팅되어 있는 투명 유리판 위에 코팅하여 광전극을 제조한다. 이후 광전극을 1차적으로 80℃에서 30분 동안 건조하고, 이를 500℃로 승온하여 60분 동안 2차 열처리한다.
그런 다음 상기 광전극을 80℃까지 온도를 내리고, 24시간 동안 염료액에 침전시키면, 본 발명에 따른 초전도체가 첨가된 광전극이 제조된다.
이때 상기 염료액으로는 3x10-4M 농도로 제조된 비스(이소티오시아네이토)비스(2,2‘-비피리딜-4,4’-디카르복실산)-루테늄(Ⅱ)-비스-테트라뷰틸암모늄[bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(Ⅱ)-bis-tetrabutyl ammonium](약자 : N719 dye, 다른 약자 : Ruthenium 525-bis TBA, 제조회사 : 스위스 솔라로닉스)을 사용하였다.
상기와 같이 제조된 초전도체가 첨가된 광전극은 다음과 같은 특징을 갖는다.
상기 초전도체가 첨가된 광전극은 순수 이산화티타늄으로만 제조 되어진 광전극에 비해 소성 전에는 상당히 투명하다. 하지만 초전도체가 첨가된 광전극은 초전도체의 첨가량이 증가할수록 표면의 거칠기는 증가하며, 전극 표면에 초전도체 입자들이 많이 관찰된다.
그리고 상기 초전도체가 첨가된 광전극은 소성 후에도 상기와 결과는 동일하지만 초전도체를 5% 이상 첨가할 때부터 표면이 도 1(광전극에 초전도체가 첨가된 광전극 페이스트로 코팅된 광전극과 비교예의 광전극을 나타낸 도면)과 같이 상당히 균일해지고, 과량의 초전도성 물질 때문에 박막이 불투명해진다.
또한 초전도체가 첨가된 광전극은 초전도체가 첨가되지 않은 비교예 전극에 비해 높은 염료 흡착량을 보인다.
이하 본 발명의 초전도체가 첨가된 광전극이 사용된 태양전지의 구조, 작용, 및 효과를 살펴보면 다음과 같다.
우선 상기 상대전극은 FTO층이 코팅되어 있는 투명 유리기판에 전해액을 주입할 두 개의 미세 구멍을 만들어 놓고, 백금 졸을 박막 형태로 코팅함으로써 제조된다. 상대전극은 태양전지 제조시 사용되는 통상의 것으로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 제조된 광전극과 상대전극 사이에 접착필름을 놓고 핫 프레스를 이용하여 밀봉시킨 다음, 상대전극의 미세구멍 사이로 액체 형태의 전해액을 주입한 후, 미세구멍을 밀봉하면, 염료 감응형 태양전지가 완성된다.
이때 유효면적은 0.5 x 0.5cm로 제작한다. 또한 주입된 전해액으로는 0.3M의 1,2-다이메틸-3-프로필이미다졸륨 요오드화물(제조회사: 솔라로닉스), 0.5M의 요오드화리늄(제조회사: 알드리치), 0.05M의 요오드(I2) 및 0.5M의 4-3차-뷰틸피리딘(4-TBP, 제조회사: 알드리치)를 3-메톡시프로피오 니트릴(3-MPN, 플루카)에 혼합하여 1일정도 교반한 용액을 사용한다.
상기와 같이 제조된 염료 감응형 태양전지는 종래의 염료 감응형 태양전지에 비해 우수한 효율을 나타낸다.
표 1 및 도 2은 본 발명의 광전극을 통해 제조된 염료 감응형 태양전지의 전류밀도(Isc), 개방전압(Voc), 필펙터(Fill Factor), 에너지 변환 효율(ηeff)을 측정하여 그 결과를 나타낸 것이다.
표 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 초전도체가 첨가된 염료 감응형 태양전지는 순수 이산화티타늄로만 제조되어진 염료감응형 태양전지에 비해 에너지 변환 효율이 증가함을 볼 수 있다.
Isc[mA/㎠] Voc[V] FF ηeff[%]
비교예 11.53 0.64 0.68 5.04
0.5% SC 14.16 0.71 0.62 6.24
1.0% SC 13.62 0.69 0.60 5.62
1.5% SC 13.23 0.69 0.59 5.41
2.0% SC 12.76 0.69 0.63 5.51
2.5% SC 12.07 0.70 0.63 5.31
5.0% SC 9.83 0.69 0.64 4.31
7.5% SC 7.04 0.69 0.67 3.23
(Isc: 전류밀도, Voc: 개방전압, FF: Fill Factor, ηeff: 에너지 변환 효율)
상기 초전도체가 첨가된 염료 감응형 태양전지는 0.5% 첨가 시 가장 높은 에너지 변환 효율을 보였으며, 이때 효율 상승은 비교예 염료 감음형 태양전지 셀 대비 5.04% -> 6.24% 로 1.2% 정도의 에너지 변환 효율 향상이 발생했다.
상기 초전도체가 첨가된 염료 감응형 태양전지의 효율 향상은 개방전압(Voc) 및 전류밀도(Isc)의 상승으로 인해 일어난다.
상기 개방전압(Voc)의 상승은, 이산화티타늄 광전극 내부의 에너지 띠 간격이 변화되어 발생하며, 전류밀도(Isc)의 상승은 초전도체가 계면간의 저항을 줄여 주어 전자가 수월히 이동하는데 도움을 주기 때문이다.
한편 본 실시예에서는 상기 광전극에 사용되는 금속산화물로 이산화티타늄을 사용하였지만, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 주석 산화물과 같은 물질이 사용될 수도 있다.
또한 본 실시예에서는 상기 투명 유리판에 FTO(Fluorine tin oxide)층을 코팅하였지만, ITO(Indium tin oxide)층을 코팅할 수도 있다.
또한 본 실시예에서는 상기 초전도체로 Nb(나이오븀), V(바나듐), Hg(수은)의 금속이나 Nd(네오디뮴), La(란타넘) 등의 원소를 포함하는 금속화합물(Nb3Ge, LaBaCuO, YBaCuO, TiBaCaCuO, HgBaCaCuO, BiSrCaCuO, LaSrCuO, NbN)이나 초전도현상이 일어나는 특수한 자기물질(세라믹스) 등이 있다.

Claims (6)

  1. FTO(Fluorine tin oxide)층 또는 ITO(Indium tin oxide)층이 코팅된 투명 유리판 위에 광전극 페이스트가 코팅되어 열처리되며, 염료가 흡착되는 염료 감응형 태양전지의 광전극에 있어서,
    상기 광전극 페이스트에 전류흐름을 향상시키는 물질로서 초전도체가 첨가된 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 광전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초전도체는 Nb3Ge, LaBaCuO, YBaCuO, TiBaCaCuO, HgBaCaCuO, BiSrCaCuO, LaSrCuO, NbN 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 광전극.
  3. FTO층 또는 ITO층이 코팅되어 있는 투명 유리판 위에 광전극 페이스트를 코팅하는 코팅단계와; 광전극 페이스트가 코팅된 투명 유리판을 열처리하는 열처리 단계와; 열처리된 투명 유리판에 염료를 흡착시키는 흡착단계를 포함하는 염료 감응형 태양전지의 광전극 제조방법에 있어서,
    상기 광전극 페이스트는 초전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초전도체는 Nb3Ge, LaBaCuO, YBaCuO, TiBaCaCuO, HgBaCaCuO, BiSrCaCuO, LaSrCuO, NbN 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 초전도체는 광전극 페이스트 전체 중량에 대하여 0.5~2.5중량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 코팅 단계는, FTO층 또는 ITO층이 코팅되어 있는 투명 유리판에 광전극 페이스트를 코팅하는 단계 이루어지고;
    열처리단계는, 광전극 페이스트가 코팅된 광전극을 80℃에서 30분 동안 열처리하고, 이를 500℃로 승온하여 60분 동안 재차 열처리한 후, 재차 열처리된 광전극을 80℃의 온도로 낮추는 단계로 이루어지며;
    흡착단계는, 열처리된 광전극이 염료액에 24시간 동안 침지되는 단계로 이루어지는 한편,
    광전극 페이스트는, 이산화티타늄 1.3g에 99% 순도의 아세틸아세톤 10%(V/V) 0.35ml와 하이드록시프로필셀룰로이스 0.95g이 혼합되는 단계와; 이산화티타늄 혼합액이 증류수 5.4ml에 혼합되어 교반되는 단계와; 증류수에 혼합된 이산화티타늄 혼합액에 초전도체가 추가적으로 혼합되어 20분 동안 교반되는 단계를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
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