KR101200698B1 - 염료감응 태양전지의 작업전극 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

이 발명은, 염료가 흡착된 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 산란층으로서의 티타늄 산화물(TiO2)층을 다층으로 형성하여 작업전극을 제조함으로써 광효율을 높일 수 있는, 염료감응 태양전지의 작업전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로서,
투명 전도성 기판과, 상기한 투명 전도성 기판의 위에 형성되어 있는 작업 전극층과, 상기한 작업 전극층의 위에 형성되어 있는 제2 티타늄 산화물(TiO2)층과, 상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 형성되어 있는 제3 티타늄 산화물(TiO2)층을 포함하여 이루어진다.

Description

염료감응 태양전지의 작업전극 및 그의 제조방법{working electrode for dye-sensitized solar cell and producing method thereof}
이 발명은 염료감응 태양전지의 작업전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 작업 전극층으로서 염료가 흡착된 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 산란층으로서의 티타늄 산화물(TiO2)층을 다층으로 형성하여 작업전극을 제조함으로써 광효율을 높일 수 있는, 염료감응 태양전지의 작업전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
국제에너지기구(International Energy Agency)의 세계 에너지 전망 2006(World Energy Outlook 2006)에 따르면, 세계 1차 에너지 수요는 계속 증가하여 2030년에는 약 17,000Mtoe에 이를 것으로 전망되고 있다. 이러한 지속적인 에너지 소비의 증가는 제한적이고 전통적인 화석 연료에서 벗어나 재생 에너지원의 활용 필요성을 증대시키고 있다. 특히 최근의 유가 급등, 화석 연료의 고갈 위기, 이산화탄소의 국제적인 배출 규제 분위기 등은 태양전지와 같은 청정 무공해 대체 에너지에 대한 연구활동의 자극제가 되고 있다. 이러한 환경하에서 연구되고 있는 분야가 염료 감응 태양전지이다.
상기한 염료 감응 태양전지는 1991년 스위스의 국립 로잔고등기술원의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의하여 최초로 개발된 후(미국특허 제4,927,721호, 미국특허 제5,350,644호, 미국특허 제5,441,827호, 미국특허 제5,728,487호 참조), 기존 실리콘 태양전지에 비하여 제조원가가 낮은 장점이 있고 응용범위가 더 넓을 것으로 기대되고 있으나, 안정성 및 효율 개선이 본격적인 상업화를 뒷받침해줄 수 있을 정도로 충분히 해결되지 않고 있다.
상기한 염료 감응 태양전지는, 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성재료로 하는 광전기 화학적 태양전지이다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 구성 및 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이 일반적인 염료감응 태양전지는, 작업전극(Working Electrode)과, 상대전극(CE, Counter Electrode)과, 이들을 연결하는 전해질로 구성된다.
상기한 작업전극은 빛을 흡수하여 염료 쪽으로 전달하는 투명전도성기판(TCO)과, 반도체 입자인 티타늄 산화물(TiO2)과, 염료로 이루어진다.
상기한 투명전도성기판(TCO)으로는 흔히 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)가 코팅되어 있는 투명유리가 사용된다.
상기한 투명전도성기판(TCO)의 위에 나노입자 티타늄 산화물(TiO2)층을 형성하고 염료 용액에 일정 기간 담가 놓아, 염료가 나노 입자 티타늄 산화물(TiO2)층의 표면에 흡착되게 한다.
상기한 염료는 Ru계 유기금속 화합물, 유기화합물, 양자점 무기화합물 등이 있으며, 현재까지 알려진 염료 중에서는 Ru계 유기금속 화합물이 가장 우수한 것으로 보고되고 있다. 이는 Ru계 염료의 경우 단일항 들뜬상태(singlet excited state, S*)와 삼중항 들뜬상태(triplet excited state, T*)로부터 반도체 전도대로 전자를 주입할 수 있어 높은 효율을 이룰 수 있기 때문이다.
상기한 상대전극(CE)으로는 작업전극과 같은 ITO, FTO가 코팅되어 있는 투명 유리 전극을 사용하며, 백금(Pt)을 코팅하여 사용한다.
상기한 전해질은 I-/I3 -와 같이 산화-환원 종으로 구성되어 있으며, I3 - 이온은 I2를 용매에 녹여 생성시킨다. I- 이온의 source로는 LiI, NaI, 알칼암모니움 요오드 또는 이미다졸리움 요오드 등이 사용되며, 전해질의 매질은 acetonitrile과 같은 액체 또는 PVdF와 같은 고분자가 사용될 수 있다. I-는 염료분자에 전자를 제공하는 역할을 하고, 산화된 I3 -는 상대전극에 도달한 전자를 받아 다시 I-로 환원된다. 액체형 전해질은 산화-환원 이온 종이 빠르게 변환하기 때문에 높은 에너지변환 효율이 가능하다.
상기한 구성의 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.
태양빛에 의해 들뜬 염료분자들이 전자-홀썽을 생성하여 전자입자는 나노입자 티타늄 산화물(TiO2)층의 전도대로 주입된다. 전도대로 주입된 전자들은 티타늄 산화물(TiO2)층을 통과하여 투명 전도성 기판(TCO)에 도달하게 되고, 외부회로로 전달됨으로써 전류를 발생시킨다. 외부회로에서 전기적 일을 하고 돌아온 전자는 상대전극(CE)을 통과하여 산화/환원 전해질의 전자 전달 역할에 의하여 전자를 티타늄 산화물(TiO2)층에 주입하여 전자가 부족한 염료를 환원시킴으로써 염료감응 태양전지의 작동은 완성된다.
현재까지는 나노 입자 티타늄 산화물(TiO2)층을 만드는 방법으로서 화학적인 방법에 기반을 둔 졸-젤(solgel), 수열 방법(hydrothermal), 템플레이트를 기반으로 합성된 방법 등, 대부분 습식 방법을 통한 나노 포러스한 작업 전극이 준비되었다. 이는 표면적이 넓은 나노 입자로 구성된 작업 전극을 구성할 수 있으며, 높은 염료 흡착량에 기인한 높은 효율을 보임으로써, 염료 감응 태양전지 분야에 새로운 돌파구를 제공하였다.
그러나 화학적인 방법에 기반을 두기 때문에, 합성 시 한번에 대량생산이 불가능하고, 화학적인 습식 방법의 특성상, 외부 조건에 의해서 많은 변수가 좌우되는 여러 가지 까다로운 조건들로 인해서 재현성 있는 결과를 얻는데 한계가 있었으며, 이러한 문제점들은 염료 감응 태양전지의 상업화에 큰 장애가 되고 있다. 또한, 합성된 나노 입자를 가지고 작업 전극을 구성할 때, 수만 번의 순환 과정을 통해서 3차원적으로 구성된 구조 자체의 붕괴 위험이 있으며, 이는 내구성 있는 소자를 구현함에 커다란 장애로 간주되고 있다.
작업전극을 아나타제 상(anatase phase)으로만 구성하지 않고, 루타일상(rutile phase)을 적절하게 섞어서 작업 전극을 구성하는 경우에, 이는 효율적인 면에서 안정성 측면에서 유리한 성능을 보여주었다.
그러나 이 성능 또한 제한적이며, 기판과의 접착력에서의 한계 또한 고려될 요소로 지적되었다.
유리 기판과의 접착력이 높은 티타늄 산화물(TiO2)층을 기계적으로 강하게 때려서 증착하여 단단한 구조를 형성하기 위하여 스퍼터링 기법을 통한 얇은 박막 형성방법이 제안되었다.
그러나, 이 기법의 경우, 촘촘한 박막을 형성함으로써 표면적의 감소와 두께를 높일 수 없다는 문제점이 있기 때문에, 이러한 기술적인 불이익으로 말미암아 연구가 활발하게 진행되고 있지 않고 있다.
이에 따라 염료 감응 태양전지 제작시 사용되는 작업 전극을, RF 스퍼터링 기법을 통해서, 티타늄 산화물 타겟을 이용하여 고압의 압력 조건에서 스퍼터링을 진행하며, 기판의 온도가 550℃를 넘지 않게 유지하고, 높은 기공도와 넓은 표면적을 지닌 티타늄 산화물(TiO2)층을 형성하는 방법이 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2009-0031071(공개일자 2009년 03월 25일)의 "염료감응 태양전지의 작업전극 제조방법"에서 개시된 바 있다.
그러나, 상기한 종래의 "염료감응 태양전지의 작업전극 제조방법"은 작업전극에 염료가 흡착된 티타늄 산화물(TiO2)층을 형성할 뿐이므로 상대적으로 광효율이 낮은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작업 전극층으로서 염료가 흡착된 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 산란층으로서의 티타늄 산화물(TiO2)층을 다층으로 형성하여 작업전극을 제조함으로써 광효율을 높일 수 있는, 염료감응 태양전지의 작업전극 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 투명 전도성 기판과, 상기한 투명 전도성 기판의 위에 형성되어 있는 작업 전극층과, 상기한 작업 전극층의 위에 형성되어 있는 제2 티타늄 산화물(TiO2)층과, 상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 형성되어 있는 제3 티타늄 산화물(TiO2)층을 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층은 RF 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용하여 100~1000nm의 두께로 형성되면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제3 티타늄 산화물(TiO2)층은 스크린 프린팅 기법을 이용하여 3~5㎛의 두께로 형성되면 바람직하다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 다른 구성은, 투명 전도성 기판을 세척을 하고 건조한 후에, 투명 전도성 기판의 위에 스크린 프린팅 기법을 이용하여 제1 티타늄 산화물(TiO2)층을 5~20㎛로 도포한 후, 소결하는 단계와, 상기한 제1 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 RF 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용하여 제2 티타늄 산화물(TiO2)층을 100~1000nm의 두께로 형성하는 단계와, 상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 스크린 프린팅 기법을 이용하여 제3 티타늄 산화물(TiO2)층을 3~5㎛의 두께로 형성하는 단계와, 상기한 제1 티타늄 산화물(TiO2)층으로 염료가 흡착되도록 함으로써 상기한 제1 티타늄 산화물(TiO2)층이 작업전극층으로 변화되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 다른 구성은, 상기한 투명전도성 기판은 불소 도핑된 SnO2(FTO)로 코팅된 유리 기판을 사용하면 바람직하다.
이 발명의 다른 구성은, 상기한 제1 티타늄 산화물(TiO2)층은 20nm 의 입자크기를 가지면 바람직하다.
이 발명의 다른 구성은, 상기한 소결은 80℃에서 30분, 300℃에서 15분, 500℃에서 30분간 진행하면 바람직하다.
이 발명의 다른 구성은, 상기한 제3 티타늄 산화물(TiO2)층은 400nm 의 입자크기를 가지면 바람직하다.
이 발명의 다른 구성은, 상기한 염료는 Ru계 염료를 사용하며, 침지후에 무수알코올(absolute alcohol)을 이용하여 세척 후 질소가스(N2 gas)를 이용하여 건조하면 바람직하다.
이 발명은, 작업 전극층으로서 염료가 흡착된 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 산란층으로서의 티타늄 산화물(TiO2)층을 다층으로 형성하여 작업전극을 제조함으로써 광효율을 높일 수 있는, 효과를 갖는다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 구성 및 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극의 제조과정을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극의 비교예를 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3a 내지 도 3c의 비교예와 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극의 각각의 TiO2 작업전극층 구조의 단면(cross-sectional) FE-SEM 이미지(image)이다.
도 5는 도 3a 내지 도 3c의 비교예와 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 셀 내부로 입사된 각 파장대의 빛이 전류로 변환되는 효율을 측정한 그래프이다.
도 6은 도 3c의 비교예와 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 400-700nm 파장에서의 헤이즈(Haze)를 분석한 그래프이다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
도 2a 내지 도 2d는 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극의 제조과정을 도시한 도면이다.
도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극의 구성은, 투명 전도성 기판(1)과, 상기한 투명 전도성 기판(1)의 위에 형성되어 있는 작업 전극층(5)과, 상기한 작업 전극층(5)의 위에 형성되어 있는 제2 티타늄 산화물(TiO2)층(3)과, 상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층(3)의 위에 형성되어 있는 제3 티타늄 산화물(TiO2)층(4)을 포함하여 이루어진다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극 및 그의 제조방법의 작용은 다음과 같다.
먼저, 투명 전도성 기판(1)을 아세톤, 에탄올, 증류수 순서로 초음파 세척기 안에서 10 분씩 세척을 하고 건조한 후에, 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 투명 전도성 기판(1)의 위에 스크린 프린팅 기법을 이용하여 20nm 정도의 입자크기를 갖는 제1 티타늄 산화물(TiO2)층(2)을 5~20㎛, 바람직하게는 10㎛의 두께로 도포한 후, 80℃에서 30분, 300℃에서 15분, 500℃에서 30분간 소결한다.
상기한 투명 전도성 기판(1)으로는 산소 분위기에서 고온 열적인 처리에도 저항 변화가 없는 기판이어야 하며, 거칠도가 높은 박막이어야 한다. 상기한 거칠도의 경우 박막 증착 공정의 변화를 통해서 조절 가능하다. 바람직한 투명 전도성 기판(1)으로는, 불소 도핑된 SnO2(FTO), 인듐 도핑된 SnO2(ITO), 안티몬 도핑된 SnO2, 인듐 도핑된 ZnO로 코팅된 유리 기판을 사용하는 것이 좋다. 본 실시예에서는 불소 도핑된 SnO2(FTO)로 코팅된 유리 기판을 사용한다.
다음에, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 티타늄 산화물(TiO2)층(2)의 위에 RF 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용하여 순수 아르곤 가스 분위기에서 제2 티타늄 산화물(TiO2)층(3)을 100~1000nm, 바람직하게는 110nm의 두께로 형성한다. RF 마그네트론 스퍼터링 기법에 사용되는 장비는, 박막을 증착하는 하나의 장비로서, 고체상의 타겟에서 방출된 원자 및 전자, 그리고 이온화되지 않는 가스 입자들과의 충돌에 의해서 전하 균형이 맞는 시점에서 방전이 이루어지며, 방전 상태의 이온의 밀도를 증가시켜, 박막 증착 속도를 증가시키기 위해서 자석을 이용한 자기장을 형성해서 구축된 장비이다. 타겟에서 방출된 원자는 방전 상태에서 수만 번의 충돌을 통해서 기판에 물리적으로 증착된다. 물리적으로 증착시, 원자나 분자 덩어리들이 가지고 있는 에너지(kinetic energy)와 기판에서 더해지는 에너지(thermal energy)에 의해서 박막의 결정성, 성장 메커니즘, 형상 등이 변화된다. 여기서, 포러스한 박막을 형성하기 위해서, 고체상에서 떨어져 나온 원자나 분자 덩어리의 에너지(kinetic energy)를 순수 아르곤 가스 분위기(30sccm)를 사용해서 높은 작업 압력으로 조절하여 최소화한다. 이때 스퍼터링을 위해 워킹 압력(working pressure)을 5 x 10-3 torr 로 맞추었다. 또한 스퍼터링 증착 조건으로서, RF 파워의 범위는 80W 범위로 하였다.
다음에, 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이, 제2 티타늄 산화물(TiO2)층(3)의 위에 스크린 프린팅 기법을 이용하여 400nm 정도의 입자크기를 갖는 제3 티타늄 산화물(TiO2)층(4)을 3~5㎛, 바람직하게는 3㎛의 두께로 형성한다.
다음에, 도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 염료에 침지시켜서 염료가 제1 티타늄 산화물(TiO2)층(2)으로 흡착되도록 함으로써 제1 티타늄 산화물(TiO2)층(2)이 작업전극층(5)으로 변화되도록 한다. 염료는 Ru계 염료인 N719(Solaronix Co. Ltd.)를 사용하며, 0.4mM의 용액(solution)으로 제조 후에 24시간 동안 침지, 무수알코올(absolute alcohol)을 이용하여 수 초간 세척 후 질소가스(N2 gas)를 이용하여 건조시킨다.
이와 같이 작업전극을 제조하는 경우에 상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층(3)과 제3 티타늄 산화물(TiO2)층(4)은 산란층으로서 역할을 하게 됨으로써 광효율을 높이게 된다.
도 3a 내지 도 3c는 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극의 비교예를 도시한 단면도로서, 도 3a는 상기한 투명 전도성 기판(1)의 위에 작업 전극층(5)만을 형성한 구조이고, 도 3a는 상기한 투명 전도성 기판(1)의 위에 작업 전극층(5)을 형성하고 그 위에 제2 티타늄 산화물(TiO2)층(3)을 형성한 구조이고, 도 3c는 상기한 투명 전도성 기판(1)의 위에 작업 전극층(5)을 형성하고 그 위에 제3 티타늄 산화물(TiO2)층(4)을 형성한 구조이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3a 내지 도 3c의 비교예와 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극의 각각의 TiO2 작업전극층 구조의 단면(cross-sectional) FE-SEM 이미지(image)이다. 즉, 도 4a는 도 3a의 작업 전극층(5)으로만 구성된 셀의 FE-SEM 이미지이고, 도 4b는 도 3b의 작업 전극층(5) 위에 제2 티타늄 산화물(TiO2)층(3)을 코팅한 셀의 FE-SEM 이미지이고, 도 4c는 도 3c의 작업 전극층(5) 위에 제3 티타늄 산화물(TiO2)층(4)을 코팅한 셀의 FE-SEM 이미지이고, 도 4d는 본 발명의 작업 전극층(5) 위에 제2 티타늄 산화물(TiO2)층(3)과 제3 티타늄 산화물(TiO2)층(4)을 코팅한 셀의 FE-SEM 이미지이다.
먼저 도 4b의 경우, 도 4a와 비교했을 때 20nm 정도의 입자크기를 갖는 티타늄 산화물(TiO2) 광전극층 표면 위에 약 110nm 두께의 스퍼터된(sputtered) 티타늄 산화물(TiO2) 층(layer)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는 20nm 정도의 입자크기를 갖는 티타늄 산화물(TiO2) 표면에 단일층의 스퍼터된(sputtered) 티타늄 산화물(TiO2)이 코팅되어 입자의 크기가 증가하며, 입자크기가 증가함에 따라 광 전극층 표면이 조밀해지는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 입자의 크기는 20nm에서 약 120-150nm로 증가된 것을 확인할 수 있다.
도 4d의 경우, 도 4c와는 달리 20nm 정도의 입자크기를 갖는 티타늄 산화물(TiO2) 광전극층과 400nm 정도의 입자크기를 갖는 티타늄 산화물(TiO2) 산란층(scattering layer)의 사이에 스퍼터된(sputtered) 티타늄 산화물(TiO2)이 증착되어 다층구조의 산란층(scattering layer)이 형성되었음을 볼 수 있다.
도 3a 내지 도 3c의 비교예와 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작업전극의 광학적 특성을 표 1에 나타내었다.
비교예 Jsc(mA/cm2) Vcc(mV) FF(%) 광변환효율(%)
도 3a 14.25 951 60.16 8.15
도 3b 15.79 958 62.41 9.45
도 3c 18.47 933 63.5 11.0
본 발명 20.45 936 63.56 12.45
위의 표 1에서 보는 바와 같이, 단락전류밀도(Jsc)는 종류에 상관없이 산란층이 적용되지 않은 도 3a의 비교예에 비해 모두 증가하였다.
특히 도 3b의 비교예와 도 3c의 비교예를 비교했을 경우, 스퍼터된(sputtered) 티타늄 산화물(TiO2) 산란층이 적용된 도 3b의 비교예에 비해 400nm 정도의 입자크기의 산란층을 갖는 도 3c의 비교예에서 더 높은 단락전류밀도(Jsc) 값을 나타냈는데, 이는 셀 내부에서 빛의 산란효과는 산란층 입자의 크기와 두께에 기인하며, 이로 인해 입사 된 빛의 패스길이(path length)가 증가하기 때문이다.
본 발명의 경우는 다른 3개의 비교예의 셀 보다 더 높은 단락전류밀도(Jsc) 값을 나타낸다. 이로부터 본 발명의 다층구조의 산란층으로 인해 셀 내부로 입사된 빛의 산란(scatter) 및 포집(trapping) 효율이 더 향상된 것을 알 수 있다.
광 변환효율은 도 3a의 비교예의 경우 8.15%이고, 도 3b의 비교예의 경우는 9.45%이고, 도 3c의 비교예의 경우는 11.0%인데 비하여, 본 발명은 12.45%로서, 이는 단락전류밀도(Jsc)의 증가로 인해 광 변환효율이 향상된 것이다.
도 5는 도 3a 내지 도 3c의 비교예와 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 셀 내부로 입사된 각 파장대의 빛이 전류로 변환되는 효율을 측정한 그래프로서, 티타늄 산화물(TiO2) 광전극층의 두께가 동일한 경우, IPCE의 차이는 산란층의 입자크기와 그에 따른 반사율에 기인한다.
도 3b의 비교예의 경우, 도 3a의 비교예와 비교했을 때 보다 염료가 빛을 흡수하는 550nm 파장에서 더 높은 IPCE를 나타내는데, 이는 스퍼터된(sputtered) 티타늄 산화물(TiO2 )에 의해서 광 전극층의 표면이 조밀해져 입사된 빛의 반사가 더 잘 일어나기 때문이다.
도 3c의 비교예와 도 3b의 비교예의 경우 역시 위와 같이 설명될 수 있으며, 본 발명이 가장 높은 IPCE를 나타내고 있음을 볼 수 있다.
도 6은 도 3c의 비교예와 이 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 400-700nm 파장에서의 헤이즈(Haze)를 분석한 그래프이다.
헤이즈(Haze)는 시편에 광선을 조사시켜 산란되는 광선의 %를 수치로 표시한다. 다시 말해 물질을 통과하는 빛이 결정성으로 인해 흩어지거나 반사되어 흐리게 나타나는 값을 측정하는 것으로, 입사광이 시편을 통과하면서 산란에 의해 입사광으로부터 2.5°이상 벗어난 빛을 %로 표시한 값이다.
도 6의 그래프로부터 알 수 있듯이 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 헤이즈(Haze)값이 높게 측정되었으며, 550nm에서의 헤이즈(Haze) 측정값을 수치적으로 계산한 결과, 도 3c의 비교예의 헤이즈(Haze)값은 59.8%, 본 발명일실시예에 따른 염료감응 태양전지는 67.6%로 나타났다. 이로부터 TiO2 광전극과 산란층 사이에 TiO2가 스퍼터(sputter)됨으로써 입사광의 산란이 증가한다는 것을 판단할 수 있다.
1 : 투명 전도성 기판 2 : 제1 티타늄 산화물(TiO2)층
3 : 제2 티타늄 산화물(TiO2)층 4 : 제3 티타늄 산화물(TiO2)층
5 : 작업전극층

Claims (8)

  1. 투명 전도성 기판과,
    상기한 투명 전도성 기판의 위에 형성되어 있는 작업 전극층과,
    상기한 작업 전극층의 위에 형성되어 있는 제2 티타늄 산화물(TiO2)층과,
    상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 형성되어 있는 제3 티타늄 산화물(TiO2)층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 작업전극.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층은 RF 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용하여 100~1000nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 작업전극.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기한 제3 티타늄 산화물(TiO2)층은 스크린 프린팅 기법을 이용하여 3~5㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 작업전극.
  4. 투명 전도성 기판을 세척을 하고 건조한 후에, 투명 전도성 기판의 위에 스크린 프린팅 기법을 이용하여 제1 티타늄 산화물(TiO2)층을 5~20㎛로 도포한 후, 소결하는 단계와,
    상기한 제1 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 RF 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용하여 제2 티타늄 산화물(TiO2)층을 100~1000nm의 두께로 형성하는 단계와,
    상기한 제2 티타늄 산화물(TiO2)층의 위에 스크린 프린팅 기법을 이용하여 제3 티타늄 산화물(TiO2)층을 3~5㎛의 두께로 형성하는 단계와,
    상기한 제1 티타늄 산화물(TiO2)층으로 염료가 흡착되도록 함으로써 상기한 제1 티타늄 산화물(TiO2)층이 작업전극층으로 변화되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 작업전극의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기한 투명전도성 기판은 불소 도핑된 SnO2(FTO)로 코팅된 유리 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 작업전극의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기한 제1 티타늄 산화물(TiO2)층은 20nm 의 입자크기를 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 작업전극의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기한 소결은 80℃에서 30분, 300℃에서 15분, 500℃에서 30분간 진행하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 작업전극의 제조방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기한 제3 티타늄 산화물(TiO2)층은 400nm 의 입자크기를 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 작업전극의 제조방법.
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