KR101243664B1

KR101243664B1 - 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101243664B1
Application number: KR1020110045863A
Authority: KR
Inventors: 정봉용
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2013-03-14
Also published as: KR20120128006A

Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 월등한 표면적을 갖는 니오븀산화물을 적용하여 태양전지의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있도록 한 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 복수의 투명전도기판, 반도체산화물, 염료, 전해질, 상대전극이 샌드위치형 적층구조를 이루는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 반도체산화물은, 미리 정한 두께와 지름을 갖는 디스크형 니오븀금속의 양극산화 처리공정을 통해, 월등한 표면적을 확보한 니오븀산화물인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 염료감응형 태양전지 제조방법은, 복수의 투명전도기판, 반도체산화물, 염료, 전해질, 상대전극이 샌드위치형 적층구조를 이루는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, 니오븀금속의 양극산화 처리공정을 통해, 상기 반도체산화물을 형성하는 제1단계; 상기 투명전도기판 표면에 전도성 물질을 코팅하는 제2단계; 상기 반도체산화물의 표면에 상기 염료를 흡착시키는 제3단계; 상기 투명전도기판에 상기 반도체산화물을 접합시키는 제4단계; 그리고, 상기 투명전도기판 사이 공간으로 상기 전해질을 주입하는 제5단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법{Manufacturing method, the same and Dye-Sensitized solar cell using niobium oxide}

본 발명은 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 월등한 표면적을 갖는 니오븀산화물을 적용하여 태양전지의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있도록 한 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

태양광발전(太陽光發電, Solar photovoltaic) 기술은, 무한정의 미래에너지 확보 및 산업구조 전환에 필수적이면서도 지속 가능한 에너지산업으로서의 중요성을 갖는다.

특히, 태양에너지의 특성과 이용기술을 활용하여 기존의 화석연료 에너지를 대체함과 동시에 인류가 풍요롭고 쾌적한 삶을 영위하기에 필요한 산업기반의 제시와 더불어 경제성장(Economy Growth) 및 에너지 수급안정(Energy Security) 그리고 환경보존(Environment Protection)의 "3E" 조화형 미래산업으로 자리매김하고 있다.

그러나, 2008년 하반기부터 시작된 전세계 경기침체와 폴리실리콘(OCI)의 공급과잉으로 인한 모듈 단가의 급락으로 제품의 효율향상과 제조원가 절감이라는 큰 과제를 떠안게 되면서부터, 염료감응형 태양전지(DSSC: Dye-Sensitized Solar Cell)라는 제3세대 태양전지가 최근 급부상하였다.

이러한 염료감응형 태양전지는, 와이드밴드갭(Wide band-gap) 반도체 산화물을 사용함으로써 높은 에너지 변환효율을 얻을 수 있으며, 무엇보다도 폴리실리콘 소재의 웨이퍼기판(Wafer substrate)을 이용한 기존 태양전지의 제조원가보다 많게는 1/5까지 절감 가능한 특성이 있다.

한편, 상기한 염료감응형 태양전지가 고효율을 발휘하기 위해서는, 전자와 염료 고분자 혹은 전자와 전해질 내 전자인수종(electron-accepting species) 사이에 발생되는 재결합에 기인한 에너지 손실이 적어야 하며, 전자 이동속도가 빠르면 빠를수록 유리하다.

때문에, 상기한 산화물의 표면적(表面的, Surface area) 확보가 필수 불가결한바, 현재까지의 반도체 산화물은 상기 염료 고분자에 대한 흡수능력은 우수하나, 나노입자 또는 나노다공성으로 단순히 1차원 형상을 이루고 있기 때문에 3차원 구조체에 비해 표면적이 협소하여 에너지 변환효율이 크게 떨어질 수밖에 없다.

결국, 웨이퍼기판을 이용한 기존의 반도체 태양전지에 비해 모듈의 제조원가 절감 측면에서는 유리한 반면, 미미한 에너지 변환효율과 장기간 사용시의 전해질 누수 및 휘발 문제와 모듈의 경년변화(經年變化, Aged deterioration)와 같은 내구성 결여의 문제점으로 인해 상업화가가 제대로 이루어지지 못하는 실정에 있다.

본 발명의 목적은, 니오븀금속의 양극산화(陽極酸化, Anodizing) 처리공정을 통해 반도체산화물의 그 표면에 나노와이어가 형성된 고깔모양의 3차원 마이크로구조체를 생성하여, 태양광의 다량 흡착 및 전자의 이동성 향상을 위한 표면적이 월등할 수 있도록 하는 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 상술한 양극산화 처리공정에 의해 월등한 표면적을 갖는 상기 니오븀산화물을 태양전지에 적용하여, 에너지의 변환효율이 극대화될 수 있도록 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지는, 복수의 투명전도기판, 반도체산화물, 염료, 전해질, 상대전극이 샌드위치형 적층구조를 이루는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 반도체산화물은, 미리 정한 두께와 지름을 갖는 디스크형 니오븀금속의 양극산화 처리공정을 통해, 월등한 표면적을 확보한 니오븀산화물인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 염료감응형 태양전지 제조방법은, 복수의 투명전도기판, 반도체산화물, 염료, 전해질, 상대전극이 샌드위치형 적층구조를 이루는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, 니오븀금속의 양극산화 처리공정을 통해, 상기 반도체산화물을 형성하는 제1단계; 상기 투명전도기판 표면에 전도성 물질을 코팅하는 제2단계; 상기 반도체산화물의 표면에 상기 염료를 흡착시키는 제3단계; 상기 투명전도기판에 상기 반도체산화물을 접합시키는 제4단계; 그리고, 상기 투명전도기판 사이 공간으로 상기 전해질을 주입하는 제5단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이상의 설명에서 분명히 알 수 있듯이, 양극산화 처리공정을 이용한 니오븀산화물의 월등한 표면적 확보로, 니오븀산화물을 태양전지에 효율적으로 적용할 수 있음은 물론 그로 인한 염료감응형 태양전지의 에너지 변환효율을 극대화할 수 있는 효과를 나타낸다.

또한, 부식에 강하면서도 변형이 쉽고 융점이 높은 특성을 갖는 니오븀을 반도체산화물로 적용할 수 있음에 따른 태양전지 제조과정의 편의성 증대는 물론, 내열성과 열전도성·내식성이 양호한 특징으로 인한 태양전지의 내구성 및 수명 연장과 같은 태양광발전 기술의 향상에도 크게 기여할 수 있는 아주 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 확대단면도.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 적용되는 반도체산화물의 마이크로구조체를 1:2000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 4는 본 발명의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지에 적용되는 반도체산화물의 마이크로구조체를 1:5000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 5는 본 발명의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지에 적용되는 반도체산화물의 마이크로구조체를 1:100000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 그 제조방법을 단계적으로 나타낸 블럭도.
도 7은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 그 제조방법에 있어서, 반도체산화물의 표면에 마이크로구조체 생성하는 양극산화 처리공정을 단계적으로 나타낸 블럭도.
도 8은 본 발명의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지의 에너지 변환효율 측정관계를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 중, 도 1은 본 발명의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 확대단면도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 적용되는 반도체산화물의 마이크로구조체를 1:2000의 비율로 확대한 요부촬상도이며, 도 4는 본 발명의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지에 적용되는 반도체산화물의 마이크로구조체를 1:5000의 비율로 확대한 요부촬상도이고, 도 5는 본 발명의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지에 적용되는 반도체산화물의 마이크로구조체를 1:100000의 비율로 확대한 요부촬상도이며, 도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 그 제조방법을 단계적으로 나타낸 블럭도이고, 도 7은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 그 제조방법에 있어서 반도체산화물의 표면에 마이크로구조체 생성하는 양극산화 처리공정을 단계적으로 나타낸 블럭도이며, 도 8은 본 발명의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지의 에너지 변환효율 측정관계를 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지(A)는, (-)투명전극(11)과 (+)투명전극(21)이 각 표면에 코팅된 복수의 투명전도기판(1)(2), 상기 (-)투명전극(11)의 일 표면에 접착되는 반도체산화물(3), 상기 반도체산화물(3) 표면에 흡착되는 염료(4), 상기 투명전도기판(1)(2) 사이 공간을 채우는 산화·환원용 전해질(5), 상기 전해질(5) 환원용 상대전극(6)이 샌드위치형 적층구조를 이룬다.

반도체산화물(3)은, 미리 정한 두께와 지름을 갖는 디스크형 니오븀금속의 양극산화(陽極酸化, Anodization) 처리공정을 통해, 태양전지(A)의 에너지 변환효율을 극대화하기 위한 목적으로 월등한 표면적을 확보한 니오븀산화물(이하 "반도체산화물"이라 함)이다.

한편, 상기한 양극산화 처리공정은, 통상의 양극산화장치를 이용하여 상기 니오븀금속에 양극을 가하고 용액(전해질)에 음극을 가해서 니오븀금속 표면에 산화 피막을 입히는 표면처리를 말한다. 이렇게 입혀진 산화 피막은 내식성·내구성·접착성을 향상시키는 특성이 있으며, 표면이 울퉁불퉁하기 때문에 염료를 흡착시키는데 용이하다.

여기서, 전술한 양극산화 처리공정 시 상기 반도체산화물의 표면에 매우 다양한 형태의 마이크로구조체가 생성되는바, 이는 적절한 전해질의 조성과 함께 처리온도 및 처리시간 그리고 전류의 인가전압 등과 같은 공정변수에 따라 제어할 수 있다.

지금까지 설명한 상기의 양극산화 처리공정에 따르면, 상기 니오븀산화물(3)의 마이크로구조체는, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 전자현미경으로 확대하여 관찰한 미세조직에서 볼 수 있듯 마이크로미터(μm) 크기의 3차원 고깔모양을 갖추는 동시에 고깔의 그 표면에는 나노미터(nm) 크기의 수많은 와이어가 가지런히 배열 형성된다.

또한, 상기 3차원 고깔모양의 마이크로구조체들은, 마치 실타래가 얽혀있는 듯한 배치구조와 더불어 나노와이어가 가지런한 배열구조를 이룸으로써 상기 니오븀산화물(3)이 월등한 표면적을 확보할 수 있는 것이며, 이에 따라 상기 투명전도기판(1)을 통과하는 가시광선(태양광)의 흡수량을 증가시키고 상기 염료(4)에 의해 생성된 전자의 이동성을 신속히 하는 효과를 가져다준다.

상술한 구조로 된 염료감응형 태양전지(A)의 그 제조방법은, 도 6에 도시된 바와 같이, 니오븀금속의 양극산화 처리공정을 통해 상기 반도체산화물(3)을 형성하는 제1단계(S100); 상기 투명전도기판(1)(2) 표면에 전도성 물질을 코팅하는 제2단계(S200); 상기 반도체산화물(3)의 마이크로구조체 표면에 상기 염료(4)를 흡착시키는 제3단계(S300); 상기 투명전도기판(1)(2)에 상기의 반도체산화물(3)을 접합시키는 제4단계(S400); 상기 투명전도기판(1)(2) 사이 공간으로 상기한 전해질(5)을 주입하는 제5단계(S500);로 이루어진다.

제1단계(S100)는, 상기 반도체산화물(3)의 표면적 확보를 위한 양극산화 처리공정으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 니오븀금속을 미리 정한 두께와 지름을 갖는 디스크(Disk)로 형성하는 제1-1단계(S110)와, 상기 니오븀금속 디스크를 아세톤(C3H6O)에 침지(浸漬)시켜 약 20분간 초음파 세척하는 제1-2단계(S120)를 포함한다.

또한, 상기 니오븀금속 디스크를 탈이온수(De-ionized water)로써 정제하는 제1-3단계(S130)와, 상기 니오븀금속 디스크를 양극산화장치에 고정장착한 상태로 전해질에 침수시켜 양극산화 처리하되, 전자분포의 원활을 위해 상기 전해질에 백금 메쉬(Pt mesh)를 더 침지시켜 상대전극으로 이용하는 제1-4단계(S140)를 더 포함한다.

여기서, 상기 제1-4단계(S140)를 통한 상기 니오븀금속의 양극산화 처리시 사용하는 전해질은, 플루오린화나트륨(NaF)과 플루오린화수소(HF)를 혼합 조성하되, 양극산화 처리공정 상황에 따라 다양한 조성비로 혼합함이 바람직하다.

제2단계(S200)는, 상기 염료감응형 태양전지(A) 내에서 생성된 전자를 외부회로로 흘려보내기 위한 상기 투명전도기판(1)(2)의 전극형성 공정으로, 최대한의 에너지 전위를 만족시키기 위하여 상기 투명전도기판(1)(2)의 그 표면에 백금(Pt)을 코팅하는 것이 바람직하다.

제3단계(S300)는, 상기 투명전도기판(1)(2)에 전자 이송을 위한 상기 반도체산화물(3)을 부착시키기 위한 공정으로, 상기 반도체산화물(3)의 마이크로구조체 주변으로 접착테입을 붙여줌으로써 상기 투명전도기판(1)과의 상호 접합이 가능토록 한다.

제5단계(S500)는, 태양광 흡수에 의해 산화된 상기 염료(4)로 전자를 공급하는 상기 전해질(5)을 상기한 투명전도기판(1)(2)의 사이 공간에 충진하기 위한 공정으로, 상기 투명전도기판(1)에 미리 관통한 복수의 통공(1a)(1b)을 미리 관통하고, 통상의 주사기를 이용하여 상기 통공(1a)(1b) 중 어느 하나를 통해 상기 전해질(5) 용액을 주입함이 바람직하다.

여기서는, 다른 하나의 통공으로 용액(전해질)이 빠져나올 때까지 상기 전해질(5)을 주입하는 과정을 실시하는 것으로서, 상기한 전해질(5)의 충진 여부를 파악할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지(A)의 작용을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

최초, 본 발명의 염료감응형 태양전지(A)에 태양광(가시광선)이 입사되면, 상기 투명전도기판(1)을 투과한 광양자가 상기 반도체산화물(3)에 흡착되고 상기 염료(4)는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 상기 반도체산화물(3)의 나노입자 간 계면을 통하여 상기 투명전도기판(1)(2)의 (-)(+)투명전극(11)(21)에 의해 외부회로로 흘러가면서 전기에너지를 전달하게 된다.

이때, 3차원 고깔모양의 마이크로구조체가 생성된 상기 반도체산화물(3)의 표면적이 월등함에 따라, 상기 투명전도기판(1)을 투과하는 태양광 에너지의 다량 흡착은 물론 전자 이동의 향상으로 인한 전기에너지로의 변환효율을 극대화할 수 있음이 당연하게 되는 것이다.

참고하여, 상기 니오븀산화물(3)과 상기한 투명전도기판(1)에 각각 전극을 연결한 상태로 별도의 태양광 효율 측정장비를 이용하여 본 발명에 따른 태양전지(A)의 에너지 변환효율을 측정하되, 플루오린화나트륨(NaF) 0.5M, 플루오린화수소(HF) 1.5wt% 비율로 상기 전해질(5)을 혼합 조성하고, 20℃의 온도 및 40V의 전압인가 조건에서 다양한 시간(A : 50분, B : 60분, C : 70분, D : 80분) 동안 측정할 경우, 도 8에 도시된 바와 같은 광전류 및 광전압 특성을 나타낸다.

이상에서와 같이 본 발명을 바람직한 실시 예를 이용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

A : 태양전지, 1, 2 : 투명전도기판, 1a, 1b : 통공
3 : 반도체산화물, 4 : 염료, 5 : 전해질
6 : 상대전극, 11 : (-)투명전극, 21 : (+)투명전극
S100 : 제1단계, S110 : 제1-1단계, S120 : 제1-2단계
S130 : 제1-3단계, S140 : 제1-4단계, S200 : 제2단계
S300 : 제3단계, S400 : 제4단계, S500 : 제5단계

Claims

투명전도기판, 반도체산화물, 염료, 전해질, 전극이 샌드위치형 적층구조를 이루게 된 염료감응형 태양전지에 있어서,
상기 반도체산화물은,
니오븀 금속을 아세톤(C₃H₆O)에 침지(浸漬)시켜 초음파 세척하는 단계;
상기 니오븀 금속을 탈이온수(De-ionized water)로써 정제하는 단계; 및
상기 니오븀 금속을 양극산화장치에 고정 장착한 상태로 플루오린화나트륨(NaF)과 플루오린화수소(HF)를 혼합한 전해질에 침수시켜 양극산화 처리하는 단계를 수행하여,
상기 니오븀 금속의 표면에 마이크로미터(㎛) 단위 크기의 3차원 고깔모양을 갖는 마이크로 구조체가 생성되고, 상기 마이크로 구조체 표면에는 나노미터(nm) 단위 크기의 나노와이어가 형성되도록 한 니오븀산화물인 것을 특징으로 하는 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지.
제1항에 있어서,
상기 염료는 상기 마이크로미터 단위 크기의 3차원 고깔모양을 갖는 마이크로 구조체에 흡착되는 것을 특징으로 하는 니오븀산화물을 이용한 염료감응형 태양전지.
투명전도기판, 반도체산화물, 염료, 전해질, 전극이 샌드위치형 적층구조를 이루게 된 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서,
상기 반도체산화물을 형성하는 단계;
상기 투명전도기판 표면에 전도성 물질을 코팅하는 단계;
상기 반도체산화물의 표면에 상기 염료를 흡착시키는 단계;
상기 투명전도기판에 상기 반도체산화물을 접합시키는 단계; 및
상기 투명전도기판 사이 공간으로 상기 전해질을 주입하는 단계를 포함하고,
상기 반도체산화물을 형성하는 단계에서 상기 반도체 산화물은,
니오븀 금속을 아세톤(C₃H₆O)에 침지(浸漬)시켜 초음파 세척하는 단계;
상기 니오븀 금속을 탈이온수(De-ionized water)로써 정제하는 단계; 및
상기 니오븀 금속을 양극산화장치에 고정 장착한 상태로 플루오린화나트륨(NaF)과 플루오린화수소(HF)를 혼합한 전해질에 침수시켜 양극산화 처리하는 단계를 수행하여,
상기 니오븀 금속의 표면에 마이크로미터(㎛) 단위 크기의 3차원 고깔모양을 갖는 마이크로 구조체가 생성되고, 상기 마이크로 구조체 표면에는 나노미터(nm) 단위 크기의 나노와이어가 형성되도록 한 니오븀산화물인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조방법.
삭제
제3항에 있어서,
상기 투명전도기판 표면에 전도성 물질을 코팅하는 단계에서,
상기 전도성 물질은 백금(Pt)인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조방법.
삭제