KR101190002B1 - 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 - Google Patents
염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101190002B1 KR101190002B1 KR1020110036325A KR20110036325A KR101190002B1 KR 101190002 B1 KR101190002 B1 KR 101190002B1 KR 1020110036325 A KR1020110036325 A KR 1020110036325A KR 20110036325 A KR20110036325 A KR 20110036325A KR 101190002 B1 KR101190002 B1 KR 101190002B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- dye
- solar cell
- sensitized solar
- semiconductor
- oxide
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 117
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 73
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 57
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000012044 organic layer Substances 0.000 claims abstract description 12
- -1 silane compound Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims description 39
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 14
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 10
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 9
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 6
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims description 6
- 239000012327 Ruthenium complex Substances 0.000 claims description 5
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 5
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 5
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N nonaoxidotritungsten Chemical compound O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- AHYFYQKMYMKPKD-UHFFFAOYSA-N 3-ethoxysilylpropan-1-amine Chemical group CCO[SiH2]CCCN AHYFYQKMYMKPKD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 230000006798 recombination Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005215 recombination Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 38
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 25
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001157 Fourier transform infrared spectrum Methods 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 238000005011 time of flight secondary ion mass spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 description 3
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UJOBWOGCFQCDNV-UHFFFAOYSA-N 9H-carbazole Chemical compound C1=CC=C2C3=CC=CC=C3NC2=C1 UJOBWOGCFQCDNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical compound CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002808 Si–O–Si Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000004305 biphenyl Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 2
- ZUOUZKKEUPVFJK-UHFFFAOYSA-N diphenyl Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=CC=CC=C1 ZUOUZKKEUPVFJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 2
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 2
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- BZSVVCFHMVMYCR-UHFFFAOYSA-N 2-pyridin-2-ylpyridine;ruthenium Chemical group [Ru].N1=CC=CC=C1C1=CC=CC=N1.N1=CC=CC=C1C1=CC=CC=N1.N1=CC=CC=C1C1=CC=CC=N1 BZSVVCFHMVMYCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 3,7-bis(dimethylamino)phenothiazin-5-ium Chemical compound C1=CC(N(C)C)=CC2=[S+]C3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OOWFYDWAMOKVSF-UHFFFAOYSA-N 3-methoxypropanenitrile Chemical compound COCCC#N OOWFYDWAMOKVSF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000219112 Cucumis Species 0.000 description 1
- 235000015510 Cucumis melo subsp melo Nutrition 0.000 description 1
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- GHSJKUNUIHUPDF-BYPYZUCNSA-N L-thialysine Chemical compound NCCSC[C@H](N)C(O)=O GHSJKUNUIHUPDF-BYPYZUCNSA-N 0.000 description 1
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920003182 Surlyn® Polymers 0.000 description 1
- FJJCIZWZNKZHII-UHFFFAOYSA-N [4,6-bis(cyanoamino)-1,3,5-triazin-2-yl]cyanamide Chemical compound N#CNC1=NC(NC#N)=NC(NC#N)=N1 FJJCIZWZNKZHII-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YIYFFLYGSHJWFF-UHFFFAOYSA-N [Zn].N1C(C=C2N=C(C=C3NC(=C4)C=C3)C=C2)=CC=C1C=C1C=CC4=N1 Chemical compound [Zn].N1C(C=C2N=C(C=C3NC(=C4)C=C3)C=C2)=CC=C1C=C1C=CC4=N1 YIYFFLYGSHJWFF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 150000004056 anthraquinones Chemical class 0.000 description 1
- 239000000987 azo dye Substances 0.000 description 1
- 239000000981 basic dye Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 235000010290 biphenyl Nutrition 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 1
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 1
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 125000000040 m-tolyl group Chemical group [H]C1=C([H])C(*)=C([H])C(=C1[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- KIQQAJNFBLKFPO-UHFFFAOYSA-N magnesium;porphyrin-22,23-diide Chemical compound [Mg+2].[N-]1C(C=C2[N-]C(=CC3=NC(=C4)C=C3)C=C2)=CC=C1C=C1C=CC4=N1 KIQQAJNFBLKFPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229960000907 methylthioninium chloride Drugs 0.000 description 1
- 239000002127 nanobelt Substances 0.000 description 1
- 150000002825 nitriles Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N phthalocyanine Chemical class N1C(N=C2C3=CC=CC=C3C(N=C3C4=CC=CC=C4C(=N4)N3)=N2)=C(C=CC=C2)C2=C1N=C1C2=CC=CC=C2C4=N1 IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 125000003367 polycyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- QQQSFSZALRVCSZ-UHFFFAOYSA-N triethoxysilane Chemical compound CCO[SiH](OCC)OCC QQQSFSZALRVCSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AAAQKTZKLRYKHR-UHFFFAOYSA-N triphenylmethane Chemical compound C1=CC=CC=C1C(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 AAAQKTZKLRYKHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
- H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
본 발명은 전도성 기판에 반도체 산화물층을 형성하고 유기물층을 코어-쉘(shell) 구조로 코팅한 후, 상기 유기물층에 정전기적 인력을 통해 염료를 흡착시킴으로써 반도체 전극 표면상에서 전해질로의 전자 전달을 막아 광전류 및 광전압을 증가시켜 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전도성 기판에 반도체 산화물층을 형성하고 유기물층을 코어-쉘(shell) 구조로 코팅한 후, 상기 유기물층에 정전기적 인력을 통해 염료를 흡착시킴으로써 반도체 전극 표면상에서 전해질로의 전자 전달을 막아 광전류 및 광전압을 증가시켜 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
염료감응 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. 지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로서 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다(미국특허공보 제4,927,721호 및 동 제5,350,644호). 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응 태양전지는 염료 분자가 입혀진 나노 입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극과, 백금 또는 탄소가 코팅된 대향 전극과, 이들 전극 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 염료감응형 태양전지는 낮은 제조단가, 친환경성, 투명성 및 채색성과 같은 특성이 우수하고, 경사각과 저광량에서도 효율 유지가 가능할 뿐만 아니라, 다양한 형태로의 제작 가능성을 가지는 미래형 태양전지로서 각광받고 있다.
그러나 염료감응 태양전지의 대량생산과 실생활에 적용함에 있어서 해결해야 할 문제점들이 있다. 예컨대, 이산화티탄/전해질 계면 사이에서 또는 이산화티탄/전도성 기판 사이에서 전자의 재결합에 의한 낮은 전자 밀도, 이산화티탄 표면에 흡착되는 염료의 낮은 밀도, 이산화티탄과 염료 사이의 약한 화학적 결합은 염료감응 태양전지의 저효율과 낮은 장기적 안정성의 원인이 되고 있다. 따라서 광전효율을 향상시키기 위해서는 전해질과의 직접 접촉부를 가급적 줄여 전자의 역반응을 억제함으로써 반도체 전극의 전기 전도도를 향상시켜 태양전지의 광전효율을 개선하는 것이 주요한 문제로서 대두하고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 반도체 산화물층의 표면 또는 전도성 기판의 표면에서 전해질로의 전자 전달을 막고, 전극 표면과 전해질 사이의 전자 재결합을 방지함으로써 광전류 및 광전압을 증가시켜 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지용 반도체 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 반도체 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 반도체 전극을 포함하는 고효율 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전도성 기판; 상기 전도성 기판에 형성된 반도체 산화물층; 상기 반도체 산화물층의 표면 및 상기 전도성 기판의 표면에 코어-쉘(shell) 구조로 코팅되어 있는 유기물층; 및 상기 유기물층의 표면에 흡착되어 있는 염료를 포함하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극을 제공한다.
상기 전도성 기판은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 또는 탄소나노튜브(CNT)가 코팅되어 있는, 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 반도체 산화물층은 나노 입자, 나노 와이어 또는 나노튜브 형태로 형성될 수 있고, 티타늄 산화물, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 유기물층은 전도성 기판에 형성된 반도체 산화물층의 표면 및 반도체 산화물층이 존재하지 않는 전도성 기판의 표면에 코어-쉘 구조로 코팅되어 있으며, 이러한 유기물층은 실란 화합물로 이루어질 수 있고, 바람직한 실란 화합물은 아미노프로필트리에톡시실란(APS)이다.
상기 유기물층과 흡착되는 염료층은 루테늄 착물로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명의 반도체 전극, 전해질층 및 대향전극을 포함하는 고효율 염료감응 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 (S1) 전도성 기판에 반도체 산화물층을 형성하는 단계; (S2) 반도체 산화물층이 형성된 기판을 유기물을 용매에 분산시킨 용액에 침지시켜 상기 반도체 산화물층의 표면 및 상기 전도성 기판의 표면에 코어-쉘(shell) 구조로 유기물층을 코팅하는 단계; 및 (S3) 상기 유기물층에 정전기적 인력을 통해 염료를 흡착시키는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법을 제공한다.
S1 단계에서, 반도체 산화물층은 나노 입자, 나노 와이어 또는 나노튜브 형태로 형성될 수 있다.
S1 단계 이후, 50～150℃의 온도 범위에서 건조한 후, 500～700℃의 온도 범위에서 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
S2 단계에서, 유기물의 농도를 제어하여 염료감응 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 특히, 유기물이 아미노프로필트리에톡시실란인 경우, 아미노프로필트리에톡시실란의 농도는 0.2～200 mM인 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 의하면, 염료감응 태양전지에서 산화/환원 전해질과 접촉하는 반도체 산화물의 표면, 그리고 반도체 산화물이 존재하지 않는 전도성 기판의 표면에 유기층이 코어-쉘 구조로 형성되어 있으므로, 빛에 의하여 생성된 전자가 외부 회로까지 전달되는 과정에서 발생하는 전자 손실 경로가 차단됨으로써 에너지 변환 효율이 현저하게 향상될 수 있다. 또한, 본 발명은 고비용 장비를 사용하지 않고 딥 코팅법이라는 간단한 제작 공정으로 고효율의 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 구조와 본 발명에서 코어-쉘 구조의 역할을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 반도체 전극을 이용한 염료감응 태양전지의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 유기물의 농도 변화에 따른 염료감응 태양전지의 J-V 특성 그래프이다.
도 4는 유기물의 농도 변화에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 3에서 제조한 유기물이 코팅된 유리 기판(a)과 유기물이 코팅된 TiO2 전극(b)의 UV 스펙트럼이다.
도 6은 유기물의 농도를 변화시켜 제조한 본 발명의 반도체 전극의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 7은 실시예 3에서 제조한 본 발명의 반도체 전극에 대한 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 8은 유기물의 농도 변화에 따른 각 원소의 변화량을 측정한 TOF-SIMS 데이터이다.
도 2는 본 발명의 반도체 전극을 이용한 염료감응 태양전지의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 유기물의 농도 변화에 따른 염료감응 태양전지의 J-V 특성 그래프이다.
도 4는 유기물의 농도 변화에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 3에서 제조한 유기물이 코팅된 유리 기판(a)과 유기물이 코팅된 TiO2 전극(b)의 UV 스펙트럼이다.
도 6은 유기물의 농도를 변화시켜 제조한 본 발명의 반도체 전극의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 7은 실시예 3에서 제조한 본 발명의 반도체 전극에 대한 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 8은 유기물의 농도 변화에 따른 각 원소의 변화량을 측정한 TOF-SIMS 데이터이다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 염료감응 태양전지용 반도체 전극은 전도성 기판; 상기 전도성 기판에 형성된 반도체 산화물층; 상기 반도체 산화물층의 표면 및 상기 전도성 기판의 표면에 코어-쉘(shell) 구조로 코팅되어 있는 유기물층; 및 상기 유기물층의 표면에 흡착되어 있는 염료를 포함한다.
도 1은 본 발명의 반도체 전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 본 발명의 반도체 전극은 전도성 기판(1)과 반도체 산화물층(2)과 이들을 코어-쉘 구조로 코팅하고 있는 유기물층(6), 그리고 상기 유기물층(6)에 흡착된 염료(7)로 구성된다.
본 발명의 반도체 전극에서는 전도성 기판(1) 위에 반도체 산화물층(2)이 형성되어 있다. 상기 전도성 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판에 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 등이 코팅된 것을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 반도체 전극에서 반도체 산화물층(2)은 티타늄 산화물, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체 산화물들은 단독으로 사용되거나 또는 2가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직한 반도체 산화물의 예로는 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3 등을 들 수 있고, 특히 바람직하게는 TiO2가 좋다.
반도체 산화물(2)은 전해질층과의 흡착 정도를 향상시키기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 따라서 반도체 산화물층은 나노튜브, 나노 와이어, 나노벨트 또는 나노 입자와 같은 나노구조를 가지는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 나노 입자, 나노 와이어 또는 나노튜브의 구조이다.
본 발명의 반도체 전극은 유기물층(6)이 상기 반도체 산화물층의 표면 및 상기 전도성 기판의 표면, 구체적으로는 반도체 산화물층이 존재하지 않는 기판의 표면에 코어-쉘(shell) 구조로 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다. 도 1B는 본 발명에서 코어-쉘 구조의 기능을 개략적으로 보여주는 도면이다. 일반적인 염료감응 태양전지의 작동 원리는 나노 입자 반도체 산화물 전극 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양 빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다. 상기 도 1B로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 전도성 기판의 표면과 반도체 산화물층의 표면이 유기물층으로 코팅되면, 유기물층으로 인하여 염료에서 반도체 산화물로의 전자 전달 능력이 저하되지만 그보다 전도성 기판과 전해질 계면 사이, 그리고 반도체 산화물층과 전해질 계면 사이에서 발생하는 전자 손실을 효과적으로 차단하여 결과적으로 전체 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 반도체 전극에 따르면, 유기물층(6)에 빛을 흡수하는 염료(7)가 흡착되어 있다. 코팅된 유기물은 반도체 산화물 표면에서 (+) 전하를 띄게 되며, 염료 흡착시 염료는 카르복실기에 의해 (-) 전하를 띄게 되는데 이러한 정전기적 인력에 의해 염료의 밀도를 증가시킬 수 있고, 이는 최종 제작된 염료감응 태양전지의 장기적 안정성을 향상시킨다.
본 발명에서 염료(7)는 태양전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 전하 분리기능을 갖고 광감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 루테늄 착물 이외에도 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 염료, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 염료, 페노사프라닌, 카르비블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 염료, 프탈로시아닌 화합물, 루테늄 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 염료, 다환퀴논계 염료 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식 중, L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 등을 나타낸다).
또한, 본 발명은 상기 반도체 전극의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법의 가장 중요한 기술적 특징은 염료를 흡착시키기 전에 반도체 산화물층의 표면 및 전도성 기판의 표면에 유기물층을 코팅하는 것이다. 이러한 유기물층의 존재로 인해 전해질로의 전자 손실을 효과적으로 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 전도성 기판에 반도체 산화물층을 형성한다(S1 단계).
전도성 기판에 반도체 산화물층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 물성, 편의성, 제조 비용 등을 고려한 경우, 반도체 산화물을 나노구조로 형성할 수 있는 방법이 바람직하다. 나노구조의 반도체 산화물의 분말을 적당한 용매에 균일하게 분산시킨 페이스트를 조제하고, 전도성 기판상에 코팅하는 방법이 바람직하다. 이때, 코팅 방법으로는 일반적인 코팅 방법, 예를 들어 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링 등의 방법을 이용할 수 있다.
코팅 방법을 이용하여 반도체 산화물층을 형성하는 경우에는, 종래 잘 알려져 있는 바와 같이 상기 코팅이 끝난 후 건조 및 소결 과정을 거치게 되며, 상기 건조 단계는 약 50 내지 150℃에서, 상기 소결 단계는 약 100 내지 1000℃에서 수행될 수 있다. 사용되는 기판의 종류에 따라 소결 단계의 실시 여부가 결정될 수 있고, 건조 단계 및 소결 단계의 온도 역시 결정된다.
이후, 유기물을 용매에 분산시킨 용액에 상기 반도체 산화물층이 형성된 기판을 침지시켜 상기 반도체 산화물층의 표면 및 상기 전도성 기판의 표면에 코어-쉘(shell) 구조로 유기물(APS : aminopropyltriethoxysilane)을 코팅한다(S2 단계).
소위 "딥 코팅법"이라 불리는 방식으로서, 유기물을 용매에 분산시킨 용액에 코팅하고자 하는 표면 전체를 약 10～60분 동안 침지시킬 수 있고, 바람직한 침지 시간은 30분이다. 이러한 코팅 방식은 매우 간단한 공정으로서 염료감응 태양전지의 제작 공정에 소요되는 시간 및 비용 등을 크게 절감할 수 있다. 본 발명에 따른 유기물을 분산하는 데 사용되는 용매로서는, 펜탄, 헥산, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 디클로로메탄, 클로로포름을 포함하나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다. 다만, 용매도 최종적으로 수득되는 태양전지의 광전효율에 영향을 미치므로 각각의 유기물에 적합한 용매를 선택하는 것이 필요하다.
또한, S2 단계에서는, 유기물의 농도를 제어하여 염료감응 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 유기물의 농도는 유기물이 아미노에톡시프로필실란일 경우, 아미노에톡시프로필실란의 농도는 0.2～200 mM가 바람직하고, 20 mM가 특히 바람직하다. 유기물의 농도에 따라 유기물의 주요 성분인 실리콘(Si)의 함유량이 변화하게 된다. 유기물이 코팅된 반도체 산화물 광전극 표면에서 (+) 전하와, 염료 흡착시 염료는 카르복실기에 의해 (-) 전하를 띄게 되는데, 유기물의 증가는 이러한 정전기적 인력에 의해 반도체 산화물 광전극에 염료의 흡착이 많아지게 하는 역할을 하게 되고, 따라서 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 유기물의 농도가 0.2 mM 미만이면 유기물층으로 인한 효과를 얻을 수 없으며, 200 mM 초과하면 코팅된 유기물층이 전자의 이동을 방해하는 저항 역할을 하게 된다.
최종적으로, 상기 유기물 표면에 정전기적 인력을 통해 염료를 흡착시킨다(S3 단계). 종래 기술분야에서 일반적으로 알려져 있는 방법에 따라 S2 단계에서 제조된 기판을 광감응성 염료를 함유하는 용액에 12시간 이상, 바람직하게는 24시간 동안 함침하여 반도체 산화물 표면에 염료를 흡착시킨 후 에탄올, 아세토니트릴 등과 같은 용매로 세척하여 잔여물을 제거한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 반도체 전극을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다. 도 1A를 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 본 발명의 반도체 전극과 대향 전극(4)과, 이들 사이에 채워져 있는 전해질(3)을 포함한다. 본 발명에 따른 대향 전극과 전해질은 공지된 물질 모두를 포함하는 것으로서, 대향 전극으로서는 예를 들어, 백금, 금 및 카본, 카본 나노튜브, 그래핀(Graphene) 등을 사용할 수 있으며, 전해질은 요오드의 아세토나이트릴 용액, NMP 용액, 3-메톡시프로피오나이트릴 등과 같은 액체 전해질 또는 트리페닐메탄, 카르바졸, N,N'-디페닐'-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'바이페닐)-4,4'디아민(TPD)과 같은 고체전해질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 반도체 전극을 이용하여 태양전지를 제조하는 경우에는 종래 기술 분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 반도체 전극과 대향전극을 서로 대향하도록 배치함과 동시에 소정의 밀봉재(5)를 사용하여 전해질층이 밀봉되는 공간을 형성한 후, 이 공간에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다. 예를 들어, 열가소성 고분자 필름(예: SURLYN (듀퐁사 제품)), 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제 등의 접착제를 사용하여 투명전극과 대향전극을 부착할 수 있다. 이러한 열가소성 고분자 필름 등을 두 전극 사이에 위치시킨 후 가열 압착하여 밀폐시킨다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명하나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1～4 및 비교예 1: 반도체 전극의 제조
실시예 1
유리 기판(2×2 ㎝) 상에 스퍼터를 사용하여 불소 도핑된 틴 옥사이드(FTO)를 200 ㎚ 두께로 도포한 후, 입경 13 ㎚ 크기의 반도체 산화물(TiO2 ) 입자 페이스트를 닥터블레이드법을 이용하여 도포하고 100℃에서 10분 동안 건조시켰다. 건조 완료 후 전기로에 투입하여 대기 중에서 5 ℃/min으로 승온하여 600℃에서 70분 동안 소결하여 입경 14～37 ㎚ 크기의 TiO2 나노 입자가 형성된 전도성 기판을 제작하였다. 상기 기판을 시그마알드리치사에서 시판하는 아미노프로필트리에톡시실란(APS) 용액 2.4 ㎕을 톨루엔 50 ㎖에 분산시킨 용액에 30분 동안 침지시켜 아미노프로필트리에톡시실란층을 코팅하였다. 이후, 아미노프로필트리에톡시실란층이 코팅된 기판을 Solaronix사의 Ru계 광감응형 염료 N719 용액에 24시간 침지한 후 건조시켜 상기 염료를 TiO2 층 표면 및 전도성 기판 표면에 흡착시켰다. 염료의 흡착이 완료된 후 흡착되지 않고 TiO2 층 위에 올라가 있는 염료를 씻어내기 위해 에탄올로 세정한 후 건조하여 반도체 전극을 제조하였다.
실시예
2
아미노프로필트리에톡시실란(APS) 용액 24 ㎕를 톨루엔 50 ㎖에 분산시킨 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 3
아미노프로필트리에톡시실란(APS) 용액 240 ㎕를 톨루엔 50 ㎖에 분산시킨 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 4
아미노프로필트리에톡시실란(APS) 용액 2400 ㎕를 톨루엔 50 ㎖에 분산시킨 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 1
유기물 코팅 단계를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 반도체 전극을 제조하였다.
실시예 2 및 비교예 2: 염료감응 태양전지의 제조
실시예 2
FTO가 코팅된 유리 기판 표면 상에 백금을 코팅하여 대향전극을 제조하였다. 이어서 양극인 대향전극과 음극으로서 상기 실시예 1 내지 4에서 얻어진 반도체 전극을 조립하였다. 양 전극을 조립할 경우에는 양극 및 음극에서 전도성 표면이 전지 내부로 오도록 하여 상기 백금층과 금속 산화물층이 서로 대향하도록 하였다. 이때 두 개의 전극 사이에 Solaronix사의 Melting sheety, SX 1170 60 ㎛을 삽입하고 120 ℃의 가열판 상에서 약 2기압으로 상기 두 전극을 밀착시켰다. 이어서 상기 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 충진하여 본 발명에 따른 염료 감응 태양전지를 완성하였다. 이때, 상기 전해질 용액으로는 Solaronix사의 Iodolyte AN-50 전해질 용액을 사용하였다.
비교예 2
상기 비교예 1에서 얻어진 반도체 전극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실험예 1
실시예 1 내지 4에서 제조한 반도체 전극을 포함한 염료감응 태양전지에 대하여, 전압에 따른 전류 밀도를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타냈으며, 유기물 코팅 농도별 염료감응형태양전지의 각 파라미터를 계산하여 표 1에 나타냈다.
Jsc(단락 전류 밀도)는 바이어스 전압이 태양전지에 인가되지 않았을 때의 단위면적당 전류를 나타낸다. 이는 전지반응에서 형성되는 자연스런 전류 이동의 결과이다. 제조된 태양전지에 바이어스 전압을 증가시키면 전류 값이 점차 작아지며, 종래에는 전류가 흐르지 않게 된다. 이 전압을 Voc(개방전압)로 정의한다. Jsc는 반도체입자에 흡착된 염료의 양이 많을수록 증가하며, 반도체 전극을 구성하는 입자간 접합성이 뛰어나고 반도체 구조 내에 결함구조가 없어야 한다. 또한 입자 사이에 존재하는 기공의 연결이 잘 이루어져 있을수록 증가하는 특성을 보인다. Voc로 표현되는 최대 기전력은 전해질의 산화-환원 준위와 반도체 전극의 페르미 레벨(Fermi-level)과의 차이에 의해 결정된다. 이론적으로 동일한 전해질과 광전극을 사용할 때 최대 기전력은 일정한 상수 값이다. 그러나 염료에서 들뜬 광전자가 TCO까지 이동되는 과정에서 전자가 전해질 및 염료와 재결합 되는 현상, 염료가 흡착된 광적극 표면의 전도띠(conduction band) 에너지 준위가 아래로 다운쉬프트(downshift)되는 현상 등에 의해 손실이 나타나게 된다. FF(곡선인자)는 소자제작 공정의 우수성을 나타내는 척도이며, 일반적으로 전극의 저항이 작은 값이어야 우수한 값을 나타낸다. I-V 곡선이 사각형에 가까울수록 높은 수치를 나타내게 된다. FF는 전압/전류 곡선에서 내접 직사각형 면적을 외접 직사각형 면적으로 나눈 값으로 정의한다.
태양전지 효율(solar cell efficiency, η)은 단위 면적당 입사하는 빛 에너지와 태양전지 출력의 비율로 정의된다. 태양전지의 출력은 개방전압(Voc)과 단락전류 밀도(Jsc) 그리고 곡선인자(FF)를 곱한 값이다.
광 변환 효율을 측정하기 위해 solar simulator(Abet Techonolgies, 300 W Xe lamp AM 1.5)를 사용하였다.
| 구분 | 광 변환 효율(%) | 개방전압(V) | Jsc(mA/㎠) | 충진계수(%) |
| 비교예 1 | 4.37 | 0.75 | 9.10 | 63.5 |
| 실시예 1 | 4.98 | 0.78 | 9.89 | 64.4 |
| 실시예 2 | 5.28 | 0.78 | 10.42 | 64.8 |
| 실시예 3 | 5.20 | 0.79 | 10.57 | 62.1 |
| 실시예 4 | 4.96 | 0.81 | 9.82 | 62.3 |
표 1의 결과로부터, 본 발명의 광전극에 따르면, 유기물층 코팅으로 인해 TiO2에서 전해질로의 재결합 확률을 줄여주는 역할을 하여 TiO2 전도띠의 전자 손실을 최소화하여 Jsc의 증가를 유도하고, 이로 인해 TiO2의 페르미 에너지(Fermi energy)까지 상승하게 되어 Voc가 증가한 것을 알 수 있다. 결과적으로, 실시예 1 내지 실시예 4의 광 변환 효율은 비교예 1에 비해 약 13.5%～20.8% 상승하였음을 확인할 수 있다.
실험예 2
실시예 1 내지 4에서 제조한 반도체 전극을 포함한 염료감응 태양전지에 대하여, 유기물의 농도 변화에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 변화를 측정한 결과를 도 4 및 표 2에 나타냈다. 염료감응 태양전지의 임피던스 변화 측정은 전하 이동에 대한 속도론적 연구에 매우 유용한 측정법이다. 투명 작업 전극의 저항, 투명 작업 전극의 저항, 투명 작업 전극과 산화물 전극간의 계면저항, 산화물 전극에서의 저항, 산화물 층과 전해질 간의 계면저항, 상대전극과 전해질의 계면저항에 대한 정보를 제공한다.
| 구분 | 비교예 1 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 |
| ωmax(Hz) | 25.1 | 25.1 | 20.0 | 20.0 | 20.0 |
| τe(ms) | 6.34 | 6.34 | 7.96 | 7.96 | 7.96 |
도 4는 TiO2 광전극에 APS 농도별 코팅에 따른 Niquist plot과 농도별 f max 값과 전자의 수명을 의미한다. Niquist plot에서 가장 왼쪽의 빈 부분은 상대 전극 FTO의 저항, 왼쪽 첫 번째 반원부분은 상대전극/전해질 계면의 임피던스, 두 번째 반원부분은 TiO2/전해질 계면의 임피던스, 세 번째 반원부분은 전해질의 임피던스를 나타낸다. 여기서 두 번째 반원부분의 가장 높은 부분의 주파수 값인 f max를 이용하여 다음 식을 통해 TiO2 광전극 내의 전자의 수명, 
을 구할 수 있다.
이 식으로부터, 두 번째 반원부분의 가장 높은 부분의 각 주파수 값인 f max가 작을수록 TiO2 광전극 내의 전자의 수명이 증가하게 되는 것을 알 수 있다. 기본적인 염료감응 태양전지에서 TiO2입자는 단분자의 염료 고분자로 코팅되어 있으므로, 이상적으로는 전해질과 접촉하지 않아야 한다. 그러나 실질적으로 염료 고분자가 TiO2의 표면을 모두 덮고 있지 못하고 많은 표면들이 전해질과 직접 접촉한다. 하지만 실시예 1 내지 4와 같이, TiO2 광전극 표면에 APS를 코팅하여 코어쉘 형태로 만들게 되면 TiO2 광전극 표면과 닿는 전해질의 면적을 코팅을 하지 않은 전극보다 훨씬 줄일 수 있게 되며, 이로 인해 APS가 TiO2 광전극/전해질 사이의 재결합 확률을 줄여주는 역할을 하기 때문에 전자의 수명이 증가하게 되고, 전자의 손실이 줄어들게 되어 Jsc가 증가하여, 결과적으로 광전환 효율이 향상된 것이다.
실험예 3: UV 스펙트럼 측정 결과
실시예 1에서 제조한 반도체 전극과 비교예 1에서 제조한 반도체 전극의 UV 스펙트럼을 측정하여 도 5에 나타냈다. 도 5를 통해서 확인되는 바와 같이, 유리와 APS가 코팅된 유리 그리고 TiO2와 APS가 코팅된 TiO2 모두 APS 코팅에 따른 흡광도에 변화가 없었음을 알 수 있다. 따라서 APS 코팅으로 인해 투과도 변화에 대한 영향이 없다는 것을 알 수 있다.
실험예 4: FT-IR 스펙트럼 측정 결과
실시에 1 내지 4에서 제조한 반도체 전극과 비교예 1에서 제조한 반도체 전극의 FT-IR 스펙트럼을 측정하여 도 6에 나타냈다. 도 6을 통해서 확인되는 바와 같이, NHx,아민 그룹의 스트레칭 진동 피크, CHx의 스트레칭, 벤딩 진동 피크, Si-O-Si의 비대칭 진동 피크를 확인할 수 있었다. 약 2980-2850 ㎝-1에서 나타나는 피크는 CHx의 스트레칭 진동과 관련된 피크임을 확인하였으며, 1690 ㎝-1에서 나타나는 흡수 피크는 CHx의 벤딩 진동 피크를 나타내는 흡수 피크이다. -NH2의 N-H 스트레치 진동 피크는 3400 ㎝-1에서 나타나는 흡수 피크이며, Si-O-Si의 비대칭 진동 흡수 피크는 1100 ㎝-1에서 나타나는 흡수 피크로 확인할 수 있다. 각 농도별 FT-IR 스펙트럼을 통해 APS가 녹아있는 톨루엔 용액에 TiO2 광전극을 30분 동안 침지시켜 코팅하였을 때 APS가 표면에 코팅된다는 것을 알 수 있다.
실험예 5: 투과전자현미경 촬영 결과
실시예 3에서 제조한 본 발명의 반도체 전극을 투과전자현미경(TEM)으로 촬영하여 도 7에 나타냈다. 도 7을 통해서 확인되는 바와 같이, 결정성을 보이는 TiO2 표면에 무질서한 막이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 고분자 유기물이 TiO2에 형성되어 나타나는 것으로 약 0.8 ㎚의 두께로 TiO2 표면에 코팅되어 있는 것을 알 수 있었다. 이를 확인하기 위해 FT-IR을 측정하여 APS의 여러 관능기들을 확인하였고 이를 도 6에 나타내었다.
실험예 6: APS 농도별 TOF-SIMS의 수심 곡선(Depth profile)
실시예 1 내지 4에서 제조한 반도체 전극과 비교예 1에서 제조한 반도체 전극의 APS 농도별 TOF-SIMS의 수심 곡선을 측정하여 도 8에 나타냈다. 도 8의 (a)는 비교예 1, (b) 내지 (e)는 각각 실시예 1 내지 4에 해당한다. APS의 주요 성분으로 함유하고 있는 실리콘(Si)을 측정함으로써 농도별 APS 코팅 정도를 확인하였으며, 실시예 4에서 가장 많은 Si 이온이 검출됨으로 보아 농도를 높게 할수록 코팅되는 APS의 양은 더 많아짐을 알 수 있다.
1: 전도성 기판 2: 반도체 산화물
3: 전해질 4: 대향 전극
5: 밀봉재 6: 유기물(아미노프로필트리에톡시실란)
7: 염료
3: 전해질 4: 대향 전극
5: 밀봉재 6: 유기물(아미노프로필트리에톡시실란)
7: 염료
Claims (18)
- 전도성 기판;
상기 전도성 기판에 형성된 반도체 산화물층;
상기 반도체 산화물층의 표면 및 상기 전도성 기판의 표면에 코어-쉘(shell) 구조로 코팅되어 있는 유기물층; 및
상기 유기물층의 표면에 흡착되어 있는 염료를 포함하고,
상기 유기물층은 실란 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 기판은 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 또는 탄소나노튜브(CNT)가 코팅되어 있는, 유리 기판 또는 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 산화물층은 나노 입자, 나노 와이어 또는 나노튜브 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 산화물층은 티타늄 산화물, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 유기물층은 아미노프로필트리에톡시실란(APS)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극. - 제1항에 있어서,
상기 염료층은 루테늄 착물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극. - 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 반도체 전극, 전해질층 및 대향전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- (S1) 전도성 기판에 반도체 산화물층을 형성하는 단계;
(S2) 유기물을 포함하는 용액에 상기 반도체 산화물층이 형성된 기판을 침지시켜 상기 반도체 산화물층의 표면 및 상기 전도성 기판의 표면에 코어-쉘(shell) 구조로 유기물층을 코팅하는 단계; 및
(S3) 상기 유기물층에 정전기적 인력을 통해 염료를 흡착시키는 단계를 포함하고,
상기 유기물층은 실란 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
S1 단계에서, 반도체 산화물층은 나노 입자, 나노 와이어 또는 나노튜브 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
S1 단계 이후, 50～150℃의 온도 범위에서 건조한 후, 100～1000℃의 온도 범위에서 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
S2 단계에서, 유기물의 농도를 제어하여 염료감응 태양전지의 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
유기물이 아미노프로필에톡시실란인 경우, 상기 유기물의 농도가 0.2～200 mM의 범위인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 전도성 기판은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)이 코팅되어 있는, 유리 기판 또는 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 반도체 산화물층은 티타늄 산화물, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 유기물층은 아미노프로필트리에톡시실란(APS)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 염료는 루테늄 착물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 반도체 전극의 제조방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110036325A KR101190002B1 (ko) | 2011-04-19 | 2011-04-19 | 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
| US13/273,560 US20120266959A1 (en) | 2011-04-19 | 2011-10-14 | Semiconductor electrode for dye-sensitized solar cell, method of manufacturing the same, and dye-sensitized solar cell having the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110036325A KR101190002B1 (ko) | 2011-04-19 | 2011-04-19 | 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101190002B1 true KR101190002B1 (ko) | 2012-10-12 |
Family
ID=47020342
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110036325A KR101190002B1 (ko) | 2011-04-19 | 2011-04-19 | 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20120266959A1 (ko) |
| KR (1) | KR101190002B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101409495B1 (ko) | 2013-02-21 | 2014-06-19 | 대구가톨릭대학교산학협력단 | 3개의 작용기를 가지는 유기 표면처리제를 포함하는 유무기하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR20210058734A (ko) * | 2019-11-13 | 2021-05-24 | 대구대학교 산학협력단 | 전기화학 중합된 다층 분자 조립체 및 이의 제조방법 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102770969A (zh) * | 2009-12-21 | 2012-11-07 | 第一太阳能有限公司 | 具有缓冲层的光伏装置 |
| CN108476778A (zh) * | 2018-02-10 | 2018-09-04 | 深圳万发创新进出口贸易有限公司 | 一种节能高效的立体绿化景观装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006278240A (ja) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Sharp Corp | 色素増感型光電変換装置及びその製造方法 |
| KR100977831B1 (ko) | 2008-05-16 | 2010-08-25 | 서울시립대학교 산학협력단 | 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법 |
| KR100996445B1 (ko) | 2009-02-24 | 2010-11-25 | 조선대학교산학협력단 | 고효율 염료감응 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4403022A (en) * | 1981-01-02 | 1983-09-06 | The President Of Tohoku University | Chemically modified photoelectrochemical cell |
| JP4174842B2 (ja) * | 1996-12-16 | 2008-11-05 | 富士ゼロックス株式会社 | 光半導体電極、光電変換装置及び光電変換方法 |
| JP2000100483A (ja) * | 1998-09-22 | 2000-04-07 | Sharp Corp | 光電変換素子及びその製造方法及びこれを用いた太陽電池 |
| US8357425B2 (en) * | 2008-05-30 | 2013-01-22 | Corning Incorporated | Process of making a coated substrate by crosslinking nanoparticles |
-
2011
- 2011-04-19 KR KR1020110036325A patent/KR101190002B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2011-10-14 US US13/273,560 patent/US20120266959A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006278240A (ja) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Sharp Corp | 色素増感型光電変換装置及びその製造方法 |
| KR100977831B1 (ko) | 2008-05-16 | 2010-08-25 | 서울시립대학교 산학협력단 | 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법 |
| KR100996445B1 (ko) | 2009-02-24 | 2010-11-25 | 조선대학교산학협력단 | 고효율 염료감응 태양전지용 광전극 및 이의 제조방법 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101409495B1 (ko) | 2013-02-21 | 2014-06-19 | 대구가톨릭대학교산학협력단 | 3개의 작용기를 가지는 유기 표면처리제를 포함하는 유무기하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR20210058734A (ko) * | 2019-11-13 | 2021-05-24 | 대구대학교 산학협력단 | 전기화학 중합된 다층 분자 조립체 및 이의 제조방법 |
| KR102428202B1 (ko) * | 2019-11-13 | 2022-08-04 | 대구대학교 산학협력단 | 전기화학 중합된 다층 분자 조립체 및 이의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20120266959A1 (en) | 2012-10-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100696529B1 (ko) | 금속원소를 포함하는 광전변환소자용 전극 및 이를 채용한염료감응 태양전지 | |
| KR100722085B1 (ko) | 전기영동법으로 형성된 탄소나노튜브를 포함하는 태양 전지및 그 제조방법 | |
| KR100658263B1 (ko) | 적층형 광전변환소자 및 그의 제조방법 | |
| KR101437046B1 (ko) | 염료감응 태양전지용 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 | |
| KR100825730B1 (ko) | 전도성 입자가 분산된 고분자 전해질을 포함하는 염료감응태양전지 및 그 제조 방법 | |
| CN102754273A (zh) | 色素增感型太阳能电池及其制造方法 | |
| KR100964182B1 (ko) | 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법 | |
| EP1780827A1 (en) | Semiconductor electrode, fabrication method thereof and solar cell comprising the same | |
| KR101140784B1 (ko) | 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 | |
| TWI394309B (zh) | 染料敏化太陽能電池 | |
| KR101190002B1 (ko) | 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 | |
| Liu et al. | Efficiency enhancement of DSSC by alternating TiO2 active layer | |
| WO2013077317A1 (ja) | 光電変換素子および光電変換素子モジュール | |
| WO2012141095A1 (ja) | 光電変換素子および光電変換モジュール | |
| KR100846156B1 (ko) | 탄소입자를 이용한 작업전극의 제조방법 및 이를 이용한염료감응 태양전지 모듈 | |
| KR101551074B1 (ko) | 피리딘계 첨가제가 함유된 장기안정성 고체상 염료감응 태양전지 | |
| TW201044671A (en) | Dye-sensitized solar cell and method for manufacturing the same | |
| Kim et al. | Enhanced interconnection of TiO 2 nanoparticles using atomic layer deposition for flexible dye-sensitized solar cells with plastic substrates | |
| KR100670331B1 (ko) | 플라스틱 전극 및 이를 채용한 태양전지 | |
| KR101256473B1 (ko) | 염료감응형 태양전지용 일전극과 이를 구비하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법 | |
| KR101359440B1 (ko) | 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법 | |
| KR100499271B1 (ko) | 구부림이 가능한 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 | |
| CN108231422B (zh) | 光电转换元件和具有该光电转换元件的电子部件 | |
| KR101241751B1 (ko) | Ｃｌａｙ를 이용한 준고체 전해질을 적용하여 제조된 염료감응형 태양전지 | |
| KR101791774B1 (ko) | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
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: 20151102 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |