KR101196588B1 - 고효율 염료 감응형 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율의 염료 감응형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 광이 입사하는 제 1 투명 기판 및 상기 제 1 투명 기판과 대향하는 제 2 투명 기판 사이의 내측 공간에 전극, 염료 및 전해질을 포함하는 염료 감응형 태양전지에 있어서, 상기 제 2 투명 기판의 외측 표면에 광결정층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지가 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, 광이 입사하는 제 1 투명 기판 및 상기 제 1 투명 기판과 대향하는 제 2 투명 기판 사이의 내측 공간에 전극, 염료 및 전해질을 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 투명 기판의 외측 표면에 광결정층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 의하면, 기존의 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)에 광결정(Photonic Crystal)을 적용함으로써, 염료 감응형 태양전지를 구성하는 물질의 물성을 변화시키지 않고도 비교적 간단한 구성만으로 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 크게 개선하는 것이 가능하다. 더불어 광결정 제작과 관련하여 언급된 기술들은 복잡한 공정과 높은 생산 단가로 생산 효율이 떨어졌던 3D 광결정 구조를 저렴한 가격으로 효율적으로 손쉽게 제작할 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 고효율 염료 감응형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)에 광결정(Photonic Crystal)을 적용함으로써 염료 감응형 태양전지를 구성하는 물질의 물성을 변화시키지 않고도 비교적 간단한 구성만으로 염료 감응형 태양전지의 효율을 개선한 고효율 염료 감응형 태양전지에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 고효율 염료 감응형 태양전지를 제조하기 위하여 염료 감응형 태양전지의 유리기판에 광결정을 효과적으로 부착할 수 있는 방법에 관한 것이다.
현재 태양전지 제조기술은 태양전지의 종류에 따라서 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지로 크게 분류할 수 있으며, 현재 상용화되어 시판되고 있는 태양전지는 주로 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지 등이다. 태양전지의 에너지 변환 효율은 대체적으로 단결정 실리콘 태양전지가 18%, 다결정 실리콘 태양전지가 15% 수준이며, 비정질 실리콘 태양전지의 경우 10% 정도로 보고되고 있다. 그리고 각국의 친환경 에너지 정책과 맞물려 다양한 소재와 광전변환 방식으로 태양전지의 효율성을 개선하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.
한편, 반도체 소재를 적용한 태양전지의 광전 변환 방식과 달리 광합성의 원리를 이용한 고효율의 광전기화학적 태양전지의 메커니즘이 1991년 Gratzel에 의하여 보고되었는데, 그것이 바로 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)이다. 염료 감응형 태양전지를 이용한 발전 기술은 태양으로부터 입사되는 에너지의 약 44%에 해당하는 가시부 파장영역의 광을 효과적으로 이용하기 위하여 가시부에 선택적 광흡수대를 가지는 염료 분자를 이용하는 것을 핵심으로 하고 있다. 기존의 실리콘 태양전지와 달리 태양 에너지를 흡수하는 역할을 수행하는 염료 분자와 전자를 통한 전하의 이동을 담당하는 넓은 밴드갭을 갖는 반도체의 역할이 분리되어 있으며, 염료 분자에 생성된 정공은 산환-환원 프로세스를 이용한 전해질에 의하여 환원됨으로써 태양전지의 작동 과정이 완성되는 원리를 이용하고 있다.
이처럼, 염료 감응형 태양전지는 태양광을 받으면 전기를 생산하는 염료를 이용해 전기를 생산하는 시스템이다. 이러한 염료 감응형 태양전지는 값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양전지로서, 실리콘을 사용하는 기존의 태양전지에 비하여 제조 단가를 낮추면서도 활용도를 극대화하는 것이 가능하다는 장점이 있다.
에너지 전환 효율의 측면에서 보더라도, 염료 감응형 태양전지는 초기에 7.1% 수준에 그치는 효율을 보였지만, 이후 3.2eV의 광대역 반도체인 TiO2를 나노급의 미립자로 사용함으로써 높은 전환 효율을 얻는데 성공하여 현재는 11% 수준의 에너지 변환 효율을 보이고 있으며, 이와 더불어 최근에는 염료 감응형 태양전지의 상업화 시도까지도 이루어지고 있다. 예컨대 염료 감응형 태양전지를 건물이나 자동차 등의 외부 유리에 적용하여 에너지를 생산하는 것도 가능하다.
나아가 원재료의 수급 측면에 있어서도 염료 감응형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비하여 자원 제약이 적으며, 고온, 고진공을 사용하지 않는 친환경적 공정이 가능하다는 장점이 있다. 또한 다양한 반도체 산화물 전극을 도입할 수 있으며 이에 따른 유기 염료 구조의 개선과 최적화를 통하여 고효율 및 환경오염 물질의 배출을 최소화할 수 있다. 특히, 전술한 바와 같이 투명한 전도성 필름을 이용한 투명 태양전지의 제작이 용이하며, 사용하는 염료 구조의 다변화를 통하여 다양한 색상의 구현이 가능하여 새로운 용도 개발에 대한 가능성이 높다고 할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이 종래기술의 경우 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율은 아직 11% 수준에 그치고 있다는 한계가 있다. 그리고 염료 감응형 태양전지의 크기를 증가시키는 경우에는 이에도 못 미치는 효율을 달성하고 있을 뿐이다.
이와 같은 한계를 극복하기 위하여 다양한 연구개발이 이루어지고 있는바, 예를 들면, "올리고머를 포함하는 고체 고분자 전해질을 적용한 염료 감응 태양전지 및 이의 제조방법"에 관한 한국공개특허 제2010-0130529호(이하 "선행문헌1")가 있다.
선행문헌1은 광전극, 대향 전극 및 상기 광전극과 대향 전극 사이에 개재된 전해질로 이루어져 있고, 상기 전해질이 서로 다른 두 고분자의 혼합물, 즉 분자량이 200내지 500g/mol인 올리고머와 분자량이 100,000 내지 1,000,000g/mol인 거대 고분자로 이루어진 고분자 혼합물 및 산화-환원 유도체로 이루어져 있는 고체 고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질 염료 감응 태양전지를 제안하고 있다. 선행문헌 1에 따르면 상기 기술한 바와 같이 본 발명에 따른 염료 감응 태양전지는 말단 작용기 사이에 강한 상호 작용이 존재하지 않는 에틸렌 옥사이드계 올리고머를 거대 고분자와 혼합하여 고체상태 거대 고분자만 사용하는 경우에 비하여 반도체 층으로의 전해질 침투를 원활하게 하는 동시에 이온 전도도를 향상시켰고, 말단 작용기 사이에 강한 상호 작용(예컨대 수소결합)이 존재하지 않으면 고분자 사슬의 유동성이 증가하고 산화-환원 유도체를 잘 전달할 수 있으므로 선행문헌1에 따른 염료 감응 태양전지는 큰 분자량의 고분자와 작은 분자량의 올리고머를 혼합함으로써 전해질이 누출되는 문제없이 높은 에너지 전환 효율을 가지고 있어 장기적으로 안정하고 실용적으로 사용될 수 있다.
이 외에도 염료 감응형 태양전지의 효율을 개선하기 위한 종래기술로는 "이미다졸계 이온 용액을 이용한 염료 감응 태양전지용 전해질"에 관한 한국공개특허 제2011-0011158호(이하 "선행문헌2")를 들 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 선행문헌2는 이미다졸계의 고분자형 또는 올리고머형 이온 용액과 이를 포함하는 염료 감응 태양전지용 전해질 및 상기 전해질을 채용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 선행문헌2에 따르면 이미다졸계 고분자형 또는 올리고머형 이온 용액은 대칭형 구조를 가지기 때문에, 동일 중량(분자량)의 다른 이온 용액과 비교하여 연료 감응 태양전지의 전해질에 필수적으로 포함되는 요오드 이온을 상대적으로 고농도로 포함할 수 있으며, 이온 용액의 연결자(Linker)의 크기나 전해질 제조시 첨가되는 성분 등의 조절을 통해 이온 전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 선행문헌2에 따른 이온 용액을 포함하는 전해질은 기존의 염료 감응 태양전지용 액체 전해질에 첨가하는 첨가제나 액체 전해질의 주요 성분을 대체하는 대체제로도 사용할 수 있고, 직접 액체 전해질로도 사용할 수 있으므로, 에너지 변환 효율이 높은 염료 감응 태양전지의 제조에 유용하게 이용 가능하다.
또한, "염료-감응형 태양광 소자의 감응제를 위한 신규한 고정 리간드"에 관한 한국공개특허 제2011-0095307호(이하 "선행문헌3") 역시 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 높이기 위하여 고안된 것이다.
구체적으로 살펴보면, 선행문헌3은 염료 감응형 태양전지의 금속계 감응성 염료에서 고정 리간드로서 사용될 수 있는 새로운 피리딘 화합물을 개시하고 있으며, 폴리피리딘 화합물을 포함하는 염료는 개선된 집광 능력을 나타내어, 증가된 전환 효율, 특히 TiO2 박막 소자들에서 증가된 전환 효율을 가져올 수 있다는 점을 핵심으로 하고 있다.
그러나, 앞서 살펴본 바에서 알 수 있듯이, 현재 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 개선하기 위한 대부분의 종래기술은 염료 감응형 태양전지에 있어서 유리 기판, 투명한 전도성 필름, 이산화티탄, 염료, 전해질, 백금 따위의 물질을 포함하는 기존의 구성 배치가 최선인지, 더 이상 개선의 여지가 없는지 여부에 대해서는 아무런 고민도 하지 않은채, 단지 염료 감응형 태양전지를 구성하는 전해질이나 염료, 산화물 등의 물성을 개선하려는 시도에만 그치고 있다는 한계가 있다. 기타 산화물에 광산란 물질을 코팅하여 빛의 산란을 이용함으로써 염료 감응형 태양전지의 효율을 상승시키려는 시도나 산화물의 구조를 변화시켜서 전자의 흐름과 염료 흡착을 상승시키려는 시도, 넓은 파장대의 빛을 흡수할 수 있는 염료를 개발하려는 시도 등 염료나 전해질, 산화물 등을 개선하는 시도만으로는 현재 널리 상용화된 실리콘 태양전지의 효율을 뛰어넘는 것이 쉽지 않다는 점에서 종래와는 다른 차원으로 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 개선하려는 새로운 시도가 필요한 상황이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 기존의 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)에 광결정(Photonic Crystal)을 적용함으로써, 염료 감응형 태양전지를 구성하는 물질의 물성을 변화시키지 않고도 비교적 간단한 구성만으로 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 개선한 고효율 염료 감응형 태양전지를 제공하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제 1 목적에 따른 고효율 염료 감응형 태양전지를 제조하기 위하여, 염료 감응형 태양전지의 유리기판에 광결정을 효과적으로 제작 및 부착할 수 있는 방법을 제공하는 것을 제 2 목적으로 한다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광이 입사하는 제 1 투명 기판 및 상기 제 1 투명 기판과 대향하는 제 2 투명 기판 사이의 내측 공간에 전극, 염료 및 전해질을 포함하는 염료 감응형 태양전지에 있어서, 상기 제 2 투명 기판의 외측 표면에 광결정층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지를 제공한다.
여기서, 상기 제 2 투명 기판의 상기 외측 표면에는 소정 극성의 전압을 인가할 수 있는 전도성 그리드가 형성되어 있고, 상기 광결정층은, 상기 전도성 그리드로부터 소정의 토출 높이만큼 이격된 전기 방사 장치에 주입되어 있는 고분자 물질과 용매로 이루어진 전구체 용액을 상기 전기 방사 장치의 노즐로부터 상기 소정 극성과 반대되는 극성의 전압에 의하여 상기 제 2 투명 기판 상으로 전기 방사함으로써 형성될 수 있다.
또한 상기 광결정층은, 광결정을 이루는 고분자 입자를 포함한 용매에 상기 제 2 투명 기판을 담군 상태에서 상기 고분자 입자가 상기 제 2 투명 기판의 상기 외측 표면에 자가 정렬함으로써 형성 가능하다. 이 경우, 상기 용매에 포함된 상기 고분자 입자는, 상기 용매로부터 소정의 토출 높이만큼 이격된 전기 방사 장치에 주입된 고분자 물질과 용매로 이루어진 전구체 용액을 상기 전기 방사 장치의 노즐로부터 소정의 전압에 의하여 상기 용매로 전기 방사함으로써 형성되는 것이 바람직하다.
여기서 상기 고분자 물질은 폴리스틸렌, 메탈크릴레이트수지, 폴리비닐알콜 혹은 폴리비닐페놀을 포함할 수 있으며, 상기 광결정을 구성하는 상기 고분자 입자의 크기는 상기 전압, 상기 전구체 용액의 농도, 상기 토출 높이 혹은 상기 광결정층이 생성되는 챔버 내의 온도나 습도에 의하여 조절 가능하다.
또한, 상술한 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광이 입사하는 제 1 투명 기판 및 상기 제 1 투명 기판과 대향하는 제 2 투명 기판 사이의 내측 공간에 전극, 염료 및 전해질을 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 투명 기판의 외측 표면에 광결정층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
여기서 상기 광결정층을 형성하는 공정은, 상기 제 2 투명 기판의 상기 외측 표면에 소정 극성의 전압을 인가할 수 있는 전도성 그리드를 형성하는 공정; 상기 전도성 그리드로부터 소정의 토출 높이만큼 이격하여 전기 방사 장치를 마련하는 공정; 상기 전지 방사 장치에 고분자 물질과 용매로 이루어진 전구체 용액을 주입하는 공정; 및 상기 전기 방사 장치의 노즐로부터 상기 소정 극성과 반대되는 극성의 전압에 의하여 상기 제 2 투명 기판 상으로 상기 전구체 용액을 전기 방사하는 공정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광결정층을 형성하는 공정은, 광결정을 이루는 고분자 입자를 포함한 용매를 마련하는 공정; 및 상기 고분자 입자가 상기 제 2 투명 기판의 상기 외측 표면에 자가 정렬하도록, 상기 제 2 투명 기판을 상기 용매에 소정 시간 동안 담구는 공정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광결정을 이루는 고분자 입자를 포함한 용매를 마련하는 공정은, 상기 용매로부터 소정의 토출 높이만큼 전기 방사 장치를 마련하는 공정; 상기 전기 방사 장치에 고분자 물질과 용매로 이루어진 전구체 용액을 주입하는 공정; 및 상기 전기 방사 장치의 노즐로부터 소정의 전압에 의하여 상기 용매로 상기 전구체 용액을 전기 방사하는 공정을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고분자 물질은 폴리스틸렌, 메탈크릴레이트수지, 폴리비닐알콜 혹은 폴리비닐페놀을 포함할 수 있으며, 상기 광결정을 구성하는 상기 고분자 입자의 크기를 조절하기 위하여, 상기 전압, 상기 전구체 용액의 농도, 상기 토출 높이 혹은 상기 광결정층이 생성되는 챔버 내의 온도나 습도 중 적어도 하나를 설정하는 공정을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기존의 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)에 광결정(Photonic Crystal)을 적용함으로써, 염료 감응형 태양전지를 구성하는 물질의 물성을 변화시키지 않고도 비교적 간단한 구성만으로 염료 감응형 태양전지의 에너지 변환 효율을 개선한 고효율 염료 감응형 태양전지를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 염료 감응형 태양전지의 유리기판에 광결정을 저렴하면서도 효과적으로 부착할 수 있는 고효율 염료 감응형 태양전지의 제조 방법을 구현하는 것이 가능하다. 특히, 대면적의 3D 광결정을 염료 감응형 태양전지에 적용할 수 있으며, 광결정의 두께와 크기 조절이 용이하고, 구형 형태 이외에도 다양한 형태를 갖는 광결정을 제작함으로써 염료 감응형 태양전지의 효율을 극대화할 수 있다. 이는 3D 광결정 구조를 DSSC에 접목하는 데 있어서 매우 중요한 부분으로서, 효과적으로 DSSC의 효율성을 개선함과 더불어 DSSC 상용화 시기를 앞당기는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 고효율 염료 감응형 태양전지(100)를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 광결정층(190)을 효과적으로 형성하기 위한 바람직한 예시적인 방법을 나타내는 도면이다.
도 2c는 제 2 투명 기판(120) 위에서 도 2a 및 도 2b와 같은 광결정층(190)의 형성 프로세스가 이루어질 수 있도록, 제 2 투명 기판(120) 위에 전도성 그리드(121)를 형성하는 공정을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 광결정층(190)을 효과적으로 형성하기 위한 바람직한 다른 예시적인 방법을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 고효율 염료 감응형 태양전지(100)의 에너지 변환 효율이 개선되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 고효율 염료 감응형 태양전지
110, 120 투명 기판
130a, 130b 투명 전극
140 상대 전극
150 패키징 구조물
160 금속 산화물
170 염료 고분자
180 전해질
190 광결정
200 전기 방사용 토출 용기
210 노즐
220 고전압원
300 친수성 용매용 용기
310 친수성 용매
400 광결정용 원료 용액
410 친유성 용매
420 전구체
430 광결정용 고분자 입자
도 2a 및 도 2b는 광결정층(190)을 효과적으로 형성하기 위한 바람직한 예시적인 방법을 나타내는 도면이다.
도 2c는 제 2 투명 기판(120) 위에서 도 2a 및 도 2b와 같은 광결정층(190)의 형성 프로세스가 이루어질 수 있도록, 제 2 투명 기판(120) 위에 전도성 그리드(121)를 형성하는 공정을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 광결정층(190)을 효과적으로 형성하기 위한 바람직한 다른 예시적인 방법을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 고효율 염료 감응형 태양전지(100)의 에너지 변환 효율이 개선되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 고효율 염료 감응형 태양전지
110, 120 투명 기판
130a, 130b 투명 전극
140 상대 전극
150 패키징 구조물
160 금속 산화물
170 염료 고분자
180 전해질
190 광결정
200 전기 방사용 토출 용기
210 노즐
220 고전압원
300 친수성 용매용 용기
310 친수성 용매
400 광결정용 원료 용액
410 친유성 용매
420 전구체
430 광결정용 고분자 입자
이제 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 참고로, 첨부 도면에 있어서 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
먼저 도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 고효율 염료 감응형 태양전지(100)를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고효율 염료 감응형 태양전지(100)는 예컨대 유리로 이루어진 제 1 및 제 2 투명 기판(110 및 120)을 포함하고 있다. 여기서, 제 1 투명 기판(110)은 도 1에 도시된 바와 같이 광이 입사하는 면측의 투명 기판이고, 제 2 투명 기판(120)은 상대 전극(140)이 배치된 측의 투명 기판이다.
제 1 및 제 2 투명 기판(110, 120) 상에는, 도 1에 도시된 바와 같이 투명 전극(130a, 130b)이 각각 코팅되어 있다. 투명 전극(130a, 130b)은 제 1 및 제 2 투명 기판(110, 120)에 코팅된 상태에서 패키징 구조물(150)과 함께, 염료 감응형 태양전지(100)의 산화-환원 프로세스가 발생하게 될 내부 공간을 형성하며, 이는 염료 감응형 태양전지(100)의 단위 셀을 이루게 된다.
투명 전극(130a, 130b)과 패키징 구조물(150)에 의한 예컨대 20 내지 60㎛ 두께의 내부 공간에는 산화-환원 프로세스용의 전해질 용액(180)이 채워져 있고, 나아가 전해질 용액(180)을 환원하는 촉매제 역할과 전지로서의 역할을 수행하는 에너지 전위를 만족하는 상대 전극(140)이 제 2 투명 기판(120)측의 투명 전극(130b) 위에 형성되어 있다.
일반적으로 상대 전극(140)의 재질로는 귀금속의 일종인 백금이 이용되고 있지만, 염료 감응형 태양전지(100)의 저가화를 위하여 상대 전극(140)을 탄소나노튜브나 나노카본으로 대체하는 것이 가능하다. 참고로 탄소나노튜브는 높은 전기 전도도를 갖는 소재로서, 전해질 용액(180)을 환원하는 촉매제로서의 특성이 우수한 편이며, 이 경우 상대 전극(140)은 탄소나노튜브 페이스트를 습식 인쇄법을 통해 코팅하는 방식으로 형성할 수 있다. 또한 상대 전극(140)을 백금에 의하여 형성하는 경우에는, 예컨대 투명 전극(130b) 위에 백금 용액을 도포한 후 약 400℃ 정도의 고온에서 열처리하면 된다.
한편, 제 1 투명 기판(110)측의 투명 전극(130a) 상에는 나노입자로 구성된 다공질의 금속산화물층(160)이 접착되어 있다. 금속산화물층(160)은 예컨대 다공질의 TiO2로 구성될 수 있으며, TiO2(160) 입자의 표면에는 염료 고분자(170)가 단분자층으로 코팅되어 있다.
도 1과 같은 구성에서 태양광이 제 1 투명 기판(110)의 표면으로 입사하면, 제 1 투명 기판(110)과 투명 전극(130a)을 투과한 광양자는 염료 고분자(170)에 의하여 흡수된다. 이때 염료 고분자(170)는 태양광 흡수에 의하여 여기 상태가 되면서 전자를 생성하고, 이렇게 생성된 전자는 예컨대 금속산화물층인 TiO2(160)의 전도대로 이송되어 투명 전극(130b)을 통해 외부 회로(미도시)로 흘러가서 전기 에너지를 전달하게 된다. 그리고 태양광 흡수에 의하여 산화된 염료, 더욱 구체적으로는 산화된 염료의 정공은 전해질 용액(180)으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 환원되는데, 이때 사용되는 전해질(180)은 주로 I-/I3 -의 산화-환원 쌍으로서 상대 전극(140)으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 담당한다.
참고로, 위와 같이 전자를 생성하고 이송하는 과정이 염료 감응형 태양전지(100)의 성능을 좌우하는 중요한 요소 중 하나인데, 우선 염료로부터 여기된 전자가 TiO2로 투입되는 시간이 정공과 결합하여 소멸되는 시간보다 짧아야 한다. 통상적으로 전자가 투입되는 시간이 펨토초 내지 피코초 단위로 매우 빠른 편이고, 산화된 염료는 수 나노초 내에 재생된다. 또한, TiO2(160)의 전도대로 투입된 전자는 전해질(180) 속의 산화된 이온과 재결합하지 않아야 하는데, 통상적으로 재결합하는 속도가 마이크로에서 밀리초 수준으로 느린 편이기 때문에, 전자-정공의 결합에 의한 손실이 크지는 않지만 이러한 결합에 의한 손실로 인하여 효율이 나빠지는 정도는 무시할 수 있는 수준이 아니다.
도 1에 있어서, 나노입자 형태의 다공질 TiO2층(160)의 경우 그 표면적이 넓을수록 태양광의 흡수량이 증가하여 염료 감응형 태양전지(100)의 효율을 높일 수 있는바, 따라서 TiO2(160) 입자가 작고 기공도가 높을수록 염료 감응형 태양전지(100)의 효율이 향상된다. 예컨대, TiO2(160) 입자는 15 내지 30㎚의 입경을 가질 수 있으며, TiO2층(160)의 두께는 2 내지 10㎛일 수 있다. 또한, 최근에는 TiO2층(160)이 불규칙한 망사 구조를 가짐으로 인해 염료에서 투입된 전자가 투명 전극(130b)까지 충분히 전달되지 못하는 문제점을 해결하기 위하여 TiO2층(160)을 Mesoporous 형태의 규칙적인 배열로 형성하거나(이 경우 기공 크기는 예컨대 1 내지 10㎚이며, 다른 크기로도 형성 가능함), 나노로드 형태의 소재로 대체하려는 시도도 이루어지고 있다.
염료(170)의 경우, 현재 가장 널리 사용되는 소재는 루테늄 폴리피리딜 복합체이다. Ru는 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기금속 복합화합물을 만들 수 있는 원소로서 염료 감응형 태양전지(100)의 염료 소재로서 적합하지만, 가시광 영역 이외에 근적외선이나 다른 파장대의 빛을 이용하기 위하여 다른 소재의 염료를 사용하는 것도 가능하다.
한편, 염료 감응형 태양전지(100)의 단위 셀 내부에 충진되는 전해질 용액(180)은 금속산화물층(160) 내부에 균일하게 분산되어 있으며, 그 소재로는 요오드를 함유하는 액체 전해질이 이용될 수 있다. 이 외에도, 전해질(180)은 폴리비닐리덴플로라이드-co-폴리헥사플루오르프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리알킬아크릴레이트 등의 고분자를 함유할 수 있으며, 실리카나 TiO2 나노입자로 이루어진 무기입자를 함유하는 고분자 겔 전해질을 이용하는 것이 가능하다. 이처럼 전해질(180)은 상대 전극(140)으로부터 전자를 받아 광흡수가 이루어지는 염료(170)로 전달하는 역할을 수행할 수 있는 것이면 어떠한 소재를 사용하더라도 무방하며, 액상 전해질뿐만 아니라 고체, 준고체형, 이온성 액체상으로 이루어진 전해질을 이용할 수도 있다.
끝으로, 도 1에 도시된 참조번호 190은 본 발명에 따른 고효율 염료 감응형 태양전지(100)가 종래기술과 가장 차별화되는 구성요소인 광결정(Photonic Crystal)층을 나타낸다.
광결정층(190)은 태양광을 트래핑(Trapping)하기 위한 일종의 웨이브 광학계(Wave-Optics) 장치로서, 3차원의 광결정 구조에 의하여 입사광을 브래그 법칙에 따라 고도의 경사각으로 회절시키는 것이 가능하다. 즉 광결정층(190)은 광 밴드갭의 스펙트럼 폭에 의해 결정되는 특정한 파장 대역에 있어서 염료 감응형 셀을 통과하는 광을 효과적으로 반사 및 회절시킬 수 있다.
염료 감응형 태양전지의 경우, 상술한 바와 같이 염료 구조, 전해질의 산화-환원 프로세스, 백금층의 환원 작용 등 태양전지의 에너지 변환 효율과 관계된 다양한 요소들이 존재하지만, 기본적으로는 태양전지(100) 내의 염료(170)가 얼마나 많은 태양광을 흡수해서 이것으로 전자와 홀을 만들어 내느냐가 관건이다. 여기서, 염료(170)의 소재를 개선한다고 하더라도 태양전지(100)가 받아들이는 태양광 중에서 400 내지 750㎚ 파장 대역의 가시광만을 이용하고 나머지 파장대의 광은 태양전지(100) 셀을 투과해 버려서 태양전지의 효율을 개선하는데 한계가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 염료 감응형 태양전지(100)의 제 2 투명 기판(120) 뒷면에 3차원 광결정 물질을 부착하고 있는바, 3차원 광결정층(190)은 제 2 투명 기판(120)을 투과한 태양광을 염료(170)측으로 반사시킬 뿐만 아니라 반사되는 광을 회절시켜서 염료(170)가 흡수할 수 있는 파장 대역의 광을 최대화시키는 역할을 수행하게 된다.
종래에 염료(170)측으로 최대한 많은 태양광을 집중시키기 위하여 렌즈에 의한 포커싱 기술을 이용하기도 하였지만, 예컨대 투명 전도성 필름과 같은 투명 전극(130a)이 포커싱된 태양광에 의한 온도 상승으로 녹아버리는 문제가 발생하였다. 본 발명은 염료 감응형 태양전지(100)에 있어서 태양광이 입사하는 반대측 면에 광결정층(190)을 형성함으로써 위와 같은 문제점 또한 해소하고 있다. 여기서 또 한가지 주목할 점은 기존의 실리콘 태양전지의 경우 뒷면에는 실리콘 와퍼를 사용하였기 때문에 전면으로부터 입사하는 태양광을 이용할 수밖에 없었지만, 염료 감응형 태양전지(100)의 경우에는 태양광이 입사하는 측면과 그 반대면에 모두 투명한 유리 기판(110, 120)을 사용하고 있어 광결정층(190)을 제 2 투명 기판(120)의 뒷면에 형성할 수 있는 구조를 갖는다는 이점을 최대한 활용하고 있다는 점이다.
다음으로 도 2a 및 도 2b는 전술한 광결정층(190)을 효과적으로 형성하는 바람직한 예시적인 방법을 나타내는 도면이다.
주지된 바와 같이, 제 2 투명 기판(120)은 통상적으로 예컨대 유리와 같은 비전도체 물질을 사용하여 형성한다. 따라서 일반적으로 광결정층(190)을 제 2 투명 기판(120) 상에 형성하는 경우에는 기판과의 정전기적 인력이 존재하지 않기 때문에 기판에 광결정층을 균일하게 코팅할 수 없다.
도 2a 및 도 2b는 제 2 투명 기판(120) 위에 예컨대 전도성의 메탈 그리드(121)를 형성한 다음 광결정층(190)의 원료라고 할 수 있는 전구체 물질(후술함)과는 반대되는 전기 극성을 인가함으로써 광결정층(190)의 원료 물질이 메탈 그리드(121)의 반대 극성 전압에 따른 정전기 인력으로 제 2 투명 기판(120) 위에 잘 달라붙게 하는 방법을 제안하고 있다.
구체적으로 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 먼저 다양한 용매(친수성 혹은 친유성 용매)와 염료 고분자(430)의 농도 및 점도를 조절하여 고분자 용액(400)을 마련한다. 이렇게 제조된 고분자 용액(400, 전구체)은 중력과 표면장력 사이에 평행을 이루며 테일러콘(Taylor Cone)을 형성하는데, 이때 전기장을 부여하게 되면 용액(400) 표면에 전하 또는 쌍극자 배향이 공기층과 용액(400)의 계면에 유도되면서 전하 또는 쌍극자 반발로 인해 표면장력과 반대되는 힘이 발생하게 된다. 어떤 임계 전기장 세기에서 이 반발 전기력이 표면장력을 극복하게 되면 하전된 고분자 용액(400)의 제트가 테일러콘의 끝에서 방출한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 이 용액(400)은 집전판을 향해서 공기 중을 비행하고, 이때 전구체 용액(400)의 용매는 증발하고 집전판에는 하전된 고분자 연속상 물질이 적층되어 광결정층(190)을 형성하게 된다.
도 2c는 제 2 투명 기판(120) 위에서 도 2a 및 도 2b와 같은 광결정층(190)의 형성 프로세스가 이루어질 수 있도록, 제 2 투명 기판(120) 위에 전도성의 고분자 물질로 이루어진 그리드(121)를 형성하는 공정을 나타낸다.
도 2c를 참조하면, ⅰ) 먼저 원하는 모양의 패턴이 들어간 그리드용 마스크(122)를 제작한다. ⅱ) 다음으로 그리드용 마스크(122)와 제 2 투명 기판(120)을 겹친 상태에서, ⅲ) 마스크 위에 전도성 고분자 물질(123)을 도포한 후 스핀 (Spin)공정을 실시한다. 그 결과패턴이 새겨진 빈 공간 사이에 전도성 고분자 물질이 채워지게 된다. 물론 스핀 공정대신 Sweeping 공정 또는 Rolling 공정 등을 통해서도 전도성 고분자 물질(123)을 패턴이 새겨진 빈 공간 사이에 채워 넣을 수 있다. 다음으로 ⅳ) 모든 고분자 물질에 전기를 흐르게 하도록 각 그리드 간의 연결 통로(124)를 형성하며, ⅴ) 이로써 전도성 고분자 물질(123)로 이루어진 패턴(121)가 도 2c에 도시된 바와 같이 최종적으로 형성된다.
이처럼 도 2c와 같은 그리드용 마스크(122)를 이용하는 공정을 통해 전도성 고분자 물질(123)을 원하는 모양과 간격으로 제 2 투명 기판(120) 상에 형성하는 것이 가능하고, 이로써 제 2 투명 기판(120)으로부터 소정의 높이에서 방출되는 전구체 용액(400)의 광결정용 고분자 입자(430)가 제 2 투명 기판(120)에 원하는 형태와 두께로 균일하게 적층되도록 할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 광결정층(190)을 효과적으로 형성하기 위한 바람직한 다른 예시적인 방법을 나타내는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 광결정층(190)을 형성하게 고분자 입자의 원료 용액(400)은 예컨대 고분자 물질(420)이 포함된 용매로 이루어져 있다. 물론, 필요에 따라 친유성 용매(410)를 대신하여 친수성 용매를 사용하는 것도 가능하지만 설명의 편의상 이하에서는 친유성 용매(410)를 사용하는 경우만을 기술한다. 전구체로 이루어진 광결정 원료 용액(400)은 전기 방사용 토출 용기(200) 안에 주입되는데, 전기 방사용 토출 용기(200)는 도 3a에 도시된 바와 같이 실린지 펌프의 미는 힘에 의하여 노즐(210)로부터 광결정 원료 용액(400)을 분출한다. 참고로 본 발명에서 사용하는 고분자 물질(420)로는 폴리스틸렌, 메탈크릴레이트수지, 폴리비닐알콜, 폴리비닐페놀 등의 소재를 이용할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이 고전압원(220)에 의하여 예컨대 10kV의 고전압이 걸려 있는 노즐(210)로부터 전기 방사되는 광결정 원료 용액(400)은 공기 중으로 전기 방사되어 예컨대 친수성 용매(310, 물론 친유성 용매를 사용하는 것도 가능함)에 닿을 때까지의 일정한 높이를 하강하면서 점차적으로 친유성 용매(410)가 증발하여 고체상 2차 입자로 변환되고, 최종적으로는 소정의 극성으로 대전된 증착용 고체 입자(430)가 된다. 이 점은 도 2b에서 폴리머 전구체 용액이 중력에 의하여 하강하면서 용매가 증발하고 대전된 고체상 입자가 그리드(혹은 전도성 패턴)가 형성된 제 2 유리 기판(120) 위에서 광결정층(190)을 형성하는 프로세스와 마찬가지이다.
도 3b를 참조하면, 고체 입자(430)는 친수성 용매용 용기(300) 내에 미리 마련되어 있는 친수성 용매(310)에 소정의 극성으로 대전된 상태로 포함되어 있다가, 예컨대 유리 기판을 용기(300) 안에 넣으면 자가 정렬(Self-Assembly) 현상에 의하여 해당 유리 기판의 표면에 달라붙어 광결정층(190)을 형성하게 된다.
도 2a 내지 도 3b에서 설명한 광결정층(190)의 형성 방법의 경우, ⅰ) 광결정 원료 용액(400)이 토출될 때 고전압원(220)으로부터 걸리는 전압의 크기, ⅱ) 전구체 물질(420)을 포함하는 광결정 원료 용액(400)의 농도, ⅲ) 전기 방사용 토출 용기(200)와 친수성 용매(310) 간의 거리(즉, 광결정 원료 용액(400)의 토출 높이), ⅳ) 도 2a 내지 도 3b의 프로세스가 이루어지는 장소의 온도와 습도(다시 말해, 전기 방사에 의하여 고분자 용액이 방출되는 순간의 주변 온도나 습도) 등을 이용하여 바람직하게는 10㎚ 단위로 광결정층(190)의 고분자 입자 사이즈를 조절할 수 있다. 그리고 이와 같이 조절된 고분자 입자 사이즈를 포함하는 광결정층(190)에 의해 태양광을 반사 및 회절시키는 특성도 조절 가능하므로, 이를 통해 염료(170)의 물성이 그대로인 상태에서도 해당 염료(170)가 흡수할 수 있는 파장 대역의 광을 최대한 많이 확보하는 것이 가능하다.
특히, 도 2a 및 도 2b에 도시된 방법은 대면적의 광결정을 형성하는데 더욱 유리하며, 전구체와 전기방사 조건을 조절함으로써 광결정층의 두께와 크기를 조절하여 2~4시간의 비교적 짧은 시간 내에 다양한 파장대의 3차원 광결정층의 제작이 가능하다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 고효율 염료 감응형 태양전지(100)의 에너지 변환 효율이 개선되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이, 도 2a 내지 도 3b에서 설명한 3차원 광결정층(190)을 형성하는 프로세스를 적용할 경우, 종래기술에 비하여 높은 성공 확률로 광결정 입자의 사이즈를 균일하게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이 종래기술에 따른 염료 감응형 태양전지의 염료는 그것이 갖는 흡수 특성상 점선으로 구획된 가시광 영역만 효율에 기여하게 된다. 다시 말해, 도 4b의 종래기술에 따른 염료 감응형 태양전지는 가시광을 제외한 다른 파장대의 빛에 대해서는 에너지를 전혀 생산하지 못하여 효율이 떨어질 수밖에 없다. 그러나, 도 4b의 우측 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 광결정(190)을 이용하여 빛의 반사와 회절 현상을 활용하고 있고, 특히 광결정 입자의 사이즈를 조절하여 예컨대 더 많은 가시광 영역의 빛을 활용할 수 있기 때문에, 광 전환 효율을 종래기술에 대비하여 대폭 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상술하였지만, 첨부도면과 상세한 설명은 본 발명의 기술적 범위를 한정하기 위한 것이 아니라 예시적인 설명을 위해 제시된 것이라는 점에 주의하여야 한다. 예컨대, 본 발명에 있어서 복수의 그리드가 모인 것을 "패턴"이라고 지칭할 수 있으므로, "전도성 그리드" 혹은 "전도성 패턴"은 실질적으로 동일한 의미로 해석할 수 있다는 점에 유의한다. 따라서 단순한 용어의 차이가 본 발명의 기술적 사상을 제한하는 의미로 해석되어서는 안 된다. 또한, "투명 전극" 대신에 "투명 전도막"이라는 표현을 사용하더라도 이는 본 발명에 있어서 실질적으로 동일한 구성요소로 이해하여야 한다.
그러므로 당업자라면 본 발명에 나타난 기술적 사상의 범위를 넘지 않으면서 다양한 개조 및 변경을 가할 수 있을 것이라는 점은 자명하다.
Claims (12)
- 광이 입사하는 제 1 투명 기판 및 상기 제 1 투명 기판과 대향하는 제 2 투명 기판 사이의 내측 공간에 전극, 염료 및 전해질을 포함하는 염료 감응형 태양전지에 있어서,
상기 제 2 투명 기판을 사이에 두고 상기 전극과 대향하여, 상기 제2 투명 기판의 외측 표면에 광결정층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 투명 기판의 상기 외측 표면에는 소정 극성의 전압을 인가할 수 있는 전도성 그리드가 형성되어 있고,
상기 광결정층은, 상기 전도성 그리드로부터 소정의 토출 높이만큼 이격된 전기 방사 장치에 주입되어 있는 고분자 물질과 용매로 이루어진 전구체 용액을 상기 전기 방사 장치의 노즐로부터 상기 소정 극성과 반대되는 극성의 전압에 의하여 상기 제 2 투명 기판 상으로 전기 방사함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 광결정층은, 광결정을 이루는 고분자 입자를 포함한 용매에 상기 제 2 투명 기판을 담군 상태에서 상기 고분자 입자가 상기 제 2 투명 기판의 상기 외측 표면에 자가 정렬함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지. - 청구항 3에 있어서,
상기 용매에 포함된 상기 고분자 입자는, 상기 용매로부터 소정의 토출 높이만큼 이격된 전기 방사 장치에 주입된 고분자 물질과 용매로 이루어진 전구체 용액을 상기 전기 방사 장치의 노즐로부터 소정의 전압에 의하여 상기 용매로 전기 방사함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지. - 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고분자 물질은 폴리스틸렌, 메탈크릴레이트수지, 폴리비닐알콜 혹은 폴리비닐페놀을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지. - 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
상기 광결정을 구성하는 상기 고분자 입자의 크기는 상기 전압, 상기 전구체 용액의 농도, 상기 토출 높이 혹은 상기 광결정층이 생성되는 챔버 내의 온도나 습도에 의하여 조절 가능한 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지. - 광이 입사하는 제 1 투명 기판 및 상기 제 1 투명 기판과 대향하는 제 2 투명 기판 사이의 내측 공간에 전극, 염료 및 전해질을 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법에 있어서,
상기 제 2 투명 기판을 사이에 두고 상기 전극과 대향하여, 상기 제2 투명 기판의 외측 표면에 광결정층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 광결정층을 형성하는 공정은,
상기 제 2 투명 기판의 상기 외측 표면에 소정 극성의 전압을 인가할 수 있는 전도성 그리드를 형성하는 공정;
상기 전도성 그리드로부터 소정의 토출 높이만큼 이격하여 전기 방사 장치를 마련하는 공정;
상기 전지 방사 장치에 고분자 물질과 용매로 이루어진 전구체 용액을 주입하는 공정; 및
상기 전기 방사 장치의 노즐로부터 상기 소정 극성과 반대되는 극성의 전압에 의하여 상기 제 2 투명 기판 상으로 상기 전구체 용액을 전기 방사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 광결정층을 형성하는 공정은,
광결정을 이루는 고분자 입자를 포함한 용매를 마련하는 공정; 및
상기 고분자 입자가 상기 제 2 투명 기판의 상기 외측 표면에 자가 정렬하도록, 상기 제 2 투명 기판을 상기 용매에 소정 시간 동안 담구는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 광결정을 이루는 고분자 입자를 포함한 용매를 마련하는 공정은,
상기 용매로부터 소정의 토출 높이만큼 전기 방사 장치를 마련하는 공정;
상기 전기 방사 장치에 고분자 물질과 용매로 이루어진 전구체 용액을 주입하는 공정; 및
상기 전기 방사 장치의 노즐로부터 소정의 전압에 의하여 상기 용매로 상기 전구체 용액을 전기 방사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법. - 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고분자 물질은 폴리스틸렌, 메탈크릴레이트수지, 폴리비닐알콜 혹은 폴리비닐페놀을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법. - 청구항 8 또는 청구항 10에 있어서,
상기 광결정을 구성하는 상기 고분자 입자의 크기를 조절하기 위하여, 상기 전압, 상기 전구체 용액의 농도, 상기 토출 높이 혹은 상기 광결정층이 생성되는 챔버 내의 온도나 습도 중 적어도 하나를 설정하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지의 제조 방법.
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