KR101253563B1 - 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전도성 투명 기재 상에 형성되며 염료가 흡착되어 있는 광전극; 상기 광전극 상에 형성되며 콜로이드 결정을 함유하는 산란층; 상기 산란층과 대향되는 상대전극; 및, 상기 산란층과 상기 상대전극 사이에 위치하는 전해질-함유 층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL INCLUDING SCATTERING LAYER CONTAINING COLLOID CRYSTAL, AND PREPARING METHOD OF THE SAME}
본원은, 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 상기 염료감응 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 도구로서, 이미 우리 생활에 널리 이용되고 있는 실리콘 태양전지가 대표적이며, 최근 차세대 태양전지로서 염료감응 태양전지가 연구되고 있다.
염료감응 태양전지는 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 대표적이다 (미국등록특허 제 5,350,644 호 참조). 구조적인 측면에서, 염료감응 태양전지의 2개의 전극 중 하나의 전극은 감광성 염료가 흡착되어 있는 반도체 산화물 층이 형성된 전도성 투명 기재를 포함하는 광전극이며, 두 전극 사이의 공간에는 전해질이 채워져 있다.
염료감응 태양전지의 작동 원리를 살펴보면, 태양에너지가 전극의 반도체 산화물 층에 흡착된 감광성 염료에 의해 흡수됨으로써 광전자가 발생하며, 상기 광전자는 반도체 산화물 층을 통해 전도되어 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기재에 전달되고, 전자를 잃어 산화된 염료는 전해질에 포함된 산화·환원 쌍에 의해 환원된다. 한편, 외부 전선을 통하여 반대편 전극인 상대전극에 도달한 전자는 산화된 전해질의 산화·환원 쌍을 다시 환원시킴으로써 태양전지의 작동 과정을 완성한다.
염료감응 태양전지에 있어서, 산란층은 필수적으로 포함되어야 하는 것은 아니다. 그러나, 산란층을 포함하여 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, 상기 산란층은 광전극을 통과한 빛을 반사하여 광전극의 광원으로 사용될 수 있도록 함으로써, 궁극적으로 태양전지의 광-전기 변환효율을 높일 수 있다.
종래에는 염료감응 태양전지의 산란층을 형성하기 위하여 TiO2 입자를 페이스트 형태로 만든 뒤 광전극 위에 도포하고 소결하는 방식을 이용하였다 (대한민국 등록특허 제 10-1038987 호 참조). 그러나 이와 같은 방식을 이용할 경우, 상기 산란층을 형성하는데 장시간이 소요되며, 산란층 내에 TiO2 입자가 불규칙하게 쌓여 있기 때문에 광전극에 빛이 입사되는 방향에 따라 반사되는 빛의 파장이 달라진다는 문제점이 있었다.
본 발명자들은, 콜로이드 결정을 이용하여 산란층을 형성하는 방법을 염료감응 태양전지의 제조에 적용함으로써, 염료감응 태양전지의 제조 시간을 감축시킬 수 있는 한편 광-전기 변환효율은 향상시킬 수 있음을 발견하여 본원을 완성하였다.
이에, 본원은, 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 상기 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 하기를 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다:
전도성 투명 기재 상에 형성되며 염료가 흡착되어 있는 광전극;
상기 광전극 상에 형성되며 콜로이드 결정을 함유하는 산란층;
상기 산란층과 대향되는 상대전극; 및,
상기 산란층과 상기 상대전극 사이에 위치하는 전해질-함유 층.
본원의 제 2 측면은, 하기를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공한다:
전도성 투명 기재 상에 염료가 흡착된 광전극을 형성하는 단계;
상기 광전극 상에 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 형성하는 단계;
상기 산란층과 대향되도록 상대전극을 배치하는 단계; 및,
상기 산란층과 상기 상대전극 사이에 전해질-함유 층을 형성하는 단계.
본원에 의하여, 콜로이드 입자의 자기조립(self-assembly)에 의하여 형성되는 콜로이드 결정을 이용하여 염료감응 태양전지의 산란층을 형성함으로써, 상기 산란층을 용이하고 경제적인 공정에 의하여 단시간에 제조할 수 있다.
본원에 의하여, 상기 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조할 경우, 상기 콜로이드 결정을 제조할 때 이용되는 콜로이드 입자의 크기에 따라 상기 산란층이 반사시키는 빛의 파장을 제어할 수 있다.
또한, 본원에 따른 상기 콜로이드 결정은 구형일 수 있으며, 이러한 구형 콜로이드 결정을 이용하여 상기 산란층을 형성함으로써 상기 산란층이 반사시키는 빛의 파장을 제어, 산란 효과 등을 더욱 향상시킬 수 있으며, 구체적으로, 상기 구형의 콜로이드 결정은 모든 각도에서 동일한 구조를 가지므로, 상기 산란층이 형성된 영역 전체에 대하여 동일한 파장의 빛에 대하여 반사 효과를 가지는 고효율 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다. 일반적인 광자 결정의 경우 보는 각도에 따라 광자 결정의 구조가 달라져 상이한 빛을 반사하게 되지만, 본원에서 산란층 형성을 위해 이용되는 콜로이드 결정의 경우 구형이므로 보는 각도에 따라 광자 결정의 구조가 영향을 받지 않아 특정 파장의 가시광선을 선택적으로 반사시키는 효과가 있다. 즉, 일반적인 광자 결정의 경우 보는 각도에 따라 반사 파장이 의존하게 되지만, 본원의 상기 구형의 콜로이드 결정의 경우에는 보는 각도에 따라 반사 파장이 의존하지 않게 된다.
또한, 본원에 따라 형성된 산란층이 염료감응 태양전지용 광전극에 포함되도록 하는 경우, 상기 산란층은 상기 광전극에 조사된 빛의 양 대비 방출되는 전자의 수를 특정한 파장에서 일정하게 유지되도록 하는 역할을 담당할 수 있기 때문에, 결과적으로 상기 광전극의 전류밀도가 증가되도록 할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지의 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 산란층을 제조하는 과정에 대한 순서도이다.
도 3a 내지 도 3c는, 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 산란층의 SEM 사진이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 알코올에 분산된 실리카 콜로이드 결정에 빛이 반사되는 사진이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 알코올에 분산된 실리카 콜로이드 결정의 빛의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 실리카 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지(실시예), 및 산란층을 포함하지 않는 염료감응 태양전지(비교예) 각각에 있어서, 빛의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 실리카 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지(실시예), 및 산란층을 포함하지 않는 염료감응 태양전지(비교예) 각각에 있어서, 광전류-전압(I-V) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 폴리스타이렌(polystyrene) 콜로이드 입자를 이용하여 제조된 구형의 고분자 콜로이드 결정의 SEM 사진이다: (a) 상기 구형의 고분자 콜로이드 결정의 SEM 사진 (스케일 바 = 500 ㎛), (b) 상기 구형의 고분자 콜로이드 결정의 SEM 사진 (스케일 바 = 50 ㎛), 및 (c) 상기 구형의 고분자 콜로이드 결정의 표면의 SEM 사진 (스케일 바 = 3 ㎛).
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결" 되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원의 제 1 측면은, 하기를 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다:
전도성 투명 기재 상에 형성되며 염료가 흡착되어 있는 광전극;
상기 광전극 상에 형성되며 콜로이드 결정을 함유하는 산란층;
상기 산란층과 대향되는 상대전극; 및,
상기 산란층과 상기 상대전극 사이에 위치하는 전해질-함유 층.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정은 고분자 콜로이드 결정 또는 무기 콜로이드 결정을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 콜로이드 결정은 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/디비닐벤젠(PS/DVB), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트)(PBMA), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 고분자 콜로이드 입자를 포함하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 무기 콜로이드 결정은 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 무기 콜로이드 입자를 포함하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정은 콜로이드 입자의 자기조립(self-assembly)에 의하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 콜로이드 입자는 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/디비닐벤젠(PS/DVB), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트)(PBMA), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 고분자 콜로이드 입자; 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 무기 콜로이드 입자; 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 있어서 상기 "자기조립(self-assembly)"이라는 용어는, 불규칙하게 배열되어 있던 입자가 건조 등의 단순한 공정을 거친 뒤에 정렬된 배열을 가지게 되는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 콜로이드 입자는 액적 내에 포함되어 있을 때에는 상기 액적 내에 균일하지 않게 분산되어 있으나, 이를 건조시키면 상기 입자 간의 간격이 없어지면서 촘촘한 면심입방구조로 배열되게 되는데, 이와 같은 현상을 상기 콜로이드 입자의 "자기조립"이 일어난 것으로 설명할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 산란층에 함유된 콜로이드의 입자 크기에 따라 상기 산란층에서 반사되는 빛의 파장이 제어되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정은 구형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원에 따른 상기 구형의 콜로이드 결정을 이용하여 상기 산란층을 형성함으로써 상기 산란층이 반사시키는 빛의 파장을 제어, 산란 효과 등을 더욱 향상시킬 수 있으며, 구체적으로, 상기 구형의 콜로이드 결정은 모든 각도에서 동일한 구조를 가지므로, 상기 산란층이 형성된 영역 전체에 대하여 동일한 파장의 빛에 대하여 반사 효과를 가지는 고효율 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다. 일반적인 광자 결정의 경우 보는 각도에 따라 광자 결정의 구조가 달라져 상이한 빛을 반사하게 되지만, 본원에서 산란층 형성을 위해 이용되는 콜로이드 결정의 경우 구형이므로 보는 각도에 따라 광자 결정의 구조가 영향을 받지 않아 특정 파장의 가시광선을 선택적으로 반사시킨다는 효과가 있다. 즉, 일반적인 광자 결정의 경우 보는 각도에 따라 반사 파장이 의존하게 되지만, 본원의 상기 구형의 콜로이드 결정의 경우에는 보는 각도에 따라 반사 파장이 의존하지 않게 된다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광전극은 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체는, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질-함유 층은 전해질-함유 전해액, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 염료감응 태양전지는 상기 전도성 투명 기재와 상기 광전극 사이에 형성된 차단층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정은 상기 콜로이드 입자가 일정하게 배열된 광자 결정의 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 산란층은 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 산란층은 특정 파장의 빛을 선택적으로 투과시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 하기를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공한다:
전도성 투명 기재 상에 염료가 흡착된 광전극을 형성하는 단계;
상기 광전극 상에 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 형성하는 단계;
상기 산란층과 대향되도록 상대전극을 배치하는 단계; 및,
상기 산란층과 상기 상대전극 사이에 전해질-함유 층을 형성하는 단계.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 염료감응 태양전지의 제조 방법은 상기 전도성 투명 기재와 상기 광전극 사이에 차단층을 형성하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광전극은 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체는, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 투명 기재 상에 광전극은 상기한 바와 같은 전이금속 산화물의 나노입자를 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전이금속 산화물의 나노입자를 적절한 용매에 분산시키고 필요한 경우 분산제를 첨가하여 상기 나노입자를 함유하는 분산액을 상기 전도성 투명 기재 상에 도포하여 건조시켜 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 포함하는 상기 광전극을 제조할 수 있다. 또는, 나노입자 형태가 아닌 상기 전이금속 산화물을 함유하는 분산액을 상기 전도성 투명 기재 상에 도포하여 건조시켜 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 포함하는 상기 광전극을 제조할 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 스핀 코팅, 딥코팅, 닥터 블레이드 법 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이후, 적절한 염료를 포함하는 용액을 이용하여 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체에 상기 염료를 흡착시켜 염료감응 태양전지용 광전극을 완성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정은 고분자 콜로이드 결정 또는 무기 콜로이드 결정을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 콜로이드 결정은 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/디비닐벤젠(PS/DVB), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트)(PBMA), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 고분자 콜로이드 입자를 포함하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 무기 콜로이드 결정은 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 무기 콜로이드 입자를 포함하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광전극 상에 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 형성하는 단계는 하기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
콜로이드 입자를 물에 분산시켜 콜로이드 수용액을 형성하고;
상기 콜로이드 수용액에 계면활성제 및 오일을 첨가하여 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 형성하고;
상기 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하여 물을 제거하여 형성된 상기 콜로이드 결정을 분리하여 수득하고; 및,
상기 수득된 콜로이드 결정을 용매에 재분산하여 상기 광전극 상에 도포하여 상기 산란층을 형성함.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 입자는 졸-겔법으로 합성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 콜로이드 입자로서 사용할 수 있는 실리카 콜로이드 입자와 같은 무기 콜로이드 입자를 사용하는 경우 졸-겔법을 이용하여 상기 무기 무기 콜로이드 입자를 제조할 수 있으며, 이러한 졸-겔법은 특별히 제한되지 않으며 당업계에 공지된 방법들을 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 무기 콜로이드 입자로서 실리카 콜로이드 입자를 사용하는 경우, 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS)과 같은 실리카 전구체, 알코올, 및 암모니아를 포함하는 용액을 이용하여 졸-겔법에 의하여 합성되는 것을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 계면활성제로서, 예를 들어, 하이퍼머 2296(hypermer 2296)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 오일은 탄소수 10 이상의 알칸류, 실리콘 오일, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 탄소수 10 이상의 알칸류의 비제한적 예로서, 탄소수 10 내지 20의 알칸류, 또는 탄소수 15 내지 20의 알칸류를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 오일은 펜타데케인(pentadecane), 헥사데케인(hexadecane), 헵타데케인(heptadecane), 또는 옥타데케인(octadecane)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 실리콘 오일로는, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane), 폴리(1,1,1-트리플루오로프로필메틸실록산)[Poly(1,1,1-trifluoropropylmethylsiloxane)], 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정은, 상기 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하는 과정에서 물이 증발되면서 일어나는 고분자 콜로이드 입자의 자기조립(self-assembly)에 의하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정은 구형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정을 분리하여 수득하는 것은, 상기 고분자 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하면 생성되는 상기 고분자 콜로이드 결정을 분리하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 수득된 고분자 콜로이드 결정을 용매에 재분산하는 것은, 상기 수득된 고분자 콜로이드 결정을 알코올 용매에 분산시키는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질-함유 층은 전해질-함유 전해액, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지의 모식도이다. 도 1에 나타낸 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지는, 전도성 투명 기재(100) 상에 형성되며 염료가 흡착되어 있는 광전극(200); 상기 광전극(200) 상에 형성되며 콜로이드 결정(300)을 함유하는 산란층(400); 상기 산란층(400)과 대향되는 상대전극(500); 및, 상기 산란층(400)과 상기 상대전극(500) 사이에 위치하는 전해질-함유 층(600)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 투명 기재(100) 상에 형성되는 광전극(200)은 상기한 바와 같은 전이금속 산화물의 나노입자를 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전이금속 산화물의 나노입자를 적절한 용매에 분산시키고 필요한 경우 분산제를 첨가하여 상기 나노입자를 함유하는 분산액을 상기 상기 전도성 투명 기재 상에 도포하여 건조시켜 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 포함하는 상기 광전극(200)을 제조할 수 있다. 상기 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 스핀 코팅, 딥코팅, 닥터 블레이드 법 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 후, 적절한 염료를 포함하는 용액을 이용하여 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체에 상기 염료를 흡착시켜 염료감응 태양전지용 광전극(200)을 완성할 수 있다.
예를 들어, 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 감광성 염료가 포함된 용액에 침지하여 감광성 염료를 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체의 내부 및 외부 표면, 예를 들어, 기공 표면에 흡착시켜 코팅할 수 있다. 상기 감광성 염료는 당업계에 공지된 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 또는 루테늄(Ru)을 포함하는 금속의 복합체 형태의 염료를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 중에서, 루테늄(Ru)은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있어, 루테늄(Ru)을 포함하는 감광성 염료가 많이 사용된다. 예를 들어, Ru(etc bpy)2(NCS)2·CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기에서 etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2로서 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체 표면과 같은 다공질 막과 결합이 가능한 반응기이다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는, 예를 들어, 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethane), 쿠마린(coumarin), 포르피린(porphyrin), 크산틴(xanthene) 등이 있다. 이들은 단독으로, 또는 루테늄(Ru) 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광선 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 감광성 염료에 광이 입사되어 흡수되면 광전자가 생성되고, 생성된 광전자는 상기 다공성 전이금속 산화물 구조체를 통로로 하여 전도성 투명 기재로 전달된다.
이하, 상기 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 광전극(200)의 제조 방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
우선, 전도성 투명 기재(100)를 준비한다. 상기 전도성 투명 기재(100)는 당업계에 공지된 것들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 투명 기재(100)는 투명 기재 상에 전도성 투명 산화물 또는 금속을 포함하는 전도성 투명 전극을 증착하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 투명 기재로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 가지는 물질이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리 기재 또는 투명 고분자 기재를 사용할 수 있다. 상기 투명 기재로 사용할 수 있는 투명 고분자 기재의 재료로는, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 또는 이들의 공중합체 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 투명 기재 상에 형성되는 상기 전도성 투명 전극은, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 산화물을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 전극은, 전도성, 투명성, 및 내열성이 우수한 산화주석(SnO2), 또는 비용 면에서 저렴한 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 투명 기재(100)는, 태양광과 같은 빛이 투과되어 내부로 입사될 수 있도록 하여 계층형 다공성 광전극으로 이용할 수 있도록 하기 위함이다. 그리고, 본원을 설명하는 명세서에서 "투명"이라는 단어의 의미는, 소재의 광 투과율이 100%인 경우뿐만 아니라 광 투과율이 높은 경우를 모두 포함한다.
다음으로, 상기 기재 상에 필요에 따라 차단층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 차단층은 기재 상에 산화물을 일정한 두께로 코팅하여 형성할 수 있다. 상기 차단층은 기재 상에 당업계에 공지된 물질을 공지된 방법으로 코팅하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 차단층은 증착, 전기 분해, 또는 습식법에 의하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 차단층의 재료, 및 상기 차단층을 형성하기 위한 열처리 횟수나 조건 등은 본원의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 다양하게 변형이 가능하다. 예를 들어, 상기 차단층은, Ti, Cu, Zn, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 차단층은 기재와 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체 사이에 접착력을 강화하는 역할을 한다. 예를 들어, 상기 차단층은, 전도성 투명 기재를 40 mM TiCl4 수용액에 담근 후 70℃ 오븐에 30분간 놓아두는 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 전도성 투명 기재(100) 또는 상기 차단층 상에 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 형성한다. 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체는, 예를 들어, 수열합성법을 이용하여 제조한 전이금속 산화물 나노입자를 닥터블레이드 방법을 이용하여 상기 기재 또는 상기 차단층 상에 도포한 뒤 소결하는 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전이금속 산화물 나노입자는 이산화티타늄 나노입자일 수 있으며, 이는 에틸 알코올에 이산화티타늄 나노분말 및 트리톤 X-100을 첨가하고 약 3 시간 동안 교반한 용액 A, 및 에틸 알코올에 α-테르피네올과 에틸 셀룰로오스를 첨가하고 약 3 시간 동안 교반한 용액 B를 혼합하여 교반한 뒤 농축기를 이용하여 상기 에틸 알코올을 증발시킴으로써 점성있는 이산화티타늄 페이스트에 포함된 형태로 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체는, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 형성된 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체 상에 감광성 염료를 흡착시키는 단계를 추가 포함할 수 있다. 이러한 감광성 염료가 흡착된 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체는 염료감응 태양전지의 광전극으로서 이용될 수 있다. 본원에 따른 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체는 비표면적을 증가시켜 염료의 흡착량을 증가시킴으로써, 염료감응 태양전지용 광전극으로 이용되었을 경우에 태양전지의 에너지 전환효율을 높이는데 기여한다. 예를 들어, 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 감광성 염료가 포함된 용액에 침지하여 감광성 염료를 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체의 내부 및 외부 표면에 흡착시켜 코팅할 수 있다. 상기 감광성 염료는 당업계에 공지된 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 또는 루테늄(Ru)을 포함하는 금속의 복합체 형태의 염료를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 중에서, 루테늄(Ru)은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있어, 루테늄(Ru)을 포함하는 감광성 염료가 많이 사용된다. 예를 들어, Ru(etc bpy)2(NCS)2·CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기에서 etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2를 의미한다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는, 예를 들어, 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethane), 쿠마린(coumarin), 포르피린(porphyrin), 크산틴(xanthene) 등이 있다. 이들은 단독으로, 또는 루테늄(Ru) 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광선 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 감광성 염료에 광이 입사되어 흡수되면 광전자가 생성되고, 생성된 광전자는 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 통로로 하여 전도성 투명 기재로 전달된다.
본원의 일 구현예에 따른 광전극(200)은, 전도성 투명 기재(100) 상에 본원에 따른 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체가 형성된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 본원에 따른 광전극(200)은 상기 전도성 투명 기재(100)와 상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체 사이에 형성된 차단층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 차단층은 산화물을 포함할 수 있으며, 전도성 투명 기재(100)와 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체 사이의 접착력을 강화하는 역할을 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 광전극(200)은, 다수의 기공을 포함하는 외형에 의하여 "메조 다공성 광전극"이라고 표현될 수 있는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 방법으로 제조된 광전극(200)은 염료감응 태양전지에 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원의 염료감응 태양전지에 포함되는 산란층(400)의 제조 방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 산란층(400)을 제조하는 과정에 대한 순서도이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광전극 상에 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 형성하는 단계는, 콜로이드 입자를 물에 분산시켜 콜로이드 수용액을 형성하고(S10); 상기 콜로이드 수용액에 계면활성제 및 오일을 첨가하여 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 형성하고(S20); 상기 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하여 물을 제거하여 형성된 상기 콜로이드 결정을 분리하여 수득하고(S30); 및, 상기 수득된 콜로이드 결정을 용매에 재분산하여 상기 광전극 상에 도포하여 상기 산란층을 형성하는 것(S40)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
고분자 콜로이드 입자를 증류수에 분산시켜 콜로이드 수용액을 제조하는 단계(S10)를 수행하기 위하여, 일단 상기 콜로이드 입자를 합성하는 것부터 수행할 수 있다. 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 입자는 졸-겔법으로 합성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 콜로이드 입자는 졸-겔 법으로 합성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 입자로서 사용할 수 있는 실리카 콜로이드 입자는 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS), 알코올, 및 암모니아를 포함하는 용액을 이용하여 합성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실리카 콜로이드 입자를 합성하기 위한 실리카 전구체로는, 상기 테트라에틸오르쏘실리케이트(TEOS) 외에도 테트라메톡시실란 (tetramethoxysilane) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 실리카 콜로이드 입자는 에탄올과 테트라에틸 오르쏘실리케이트 (TEOS)를 혼합하여 혼합물을 생성한 후에, 증류수와 암모니아 수용액을 상기 혼합물에 첨가하고 수시간 동안 실온 교반함으로써 합성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 합성된 실리카 콜로이드 입자 등의 콜로이드 입자는 증류수로 수차례 세척한 후 증류수에 분산시킴으로써 콜로이드 수용액을 제조할 수 있다.
본원에 따라 상기 콜로이드 입자를 이용하여 형성된 상기 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조할 경우, 상기 콜로이드 입자 및 상기 콜로이드 결정의 크기에 따라 상기 산란층이 반사시키는 빛의 파장을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 상기 콜로이드 입자는 nm 단위의 크기를 가지는 것일 수 있으며, 상기 콜로이드 결정은 ㎛ 단위의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 콜로이드 입자는 약 1 nm 내지 약 1000 nm, 약 1 nm 내지 약 900 nm, 약 1 nm 내지 약 800 nm, 약 1 nm 내지 약 700 nm, 약 1 nm 내지 약 600 nm, 약 1 nm 내지 약 500 nm, 약 1 nm 내지 약 400 nm, 약 1 nm 내지 약 300 nm, 약 1 nm 내지 약 200 nm, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 1000 nm, 약 10 nm 내지 약 900 nm, 약 10 nm 내지 약 800 nm, 약 10 nm 내지 약 700 nm, 약 10 nm 내지 약 600 nm, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 400 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 100 nm 내지 약 1000 nm, 약 100 nm 내지 약 900 nm, 약 100 nm 내지 약 800 nm, 약 100 nm 내지 약 700 nm, 약 100 nm 내지 약 600 nm, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 약 100 nm 내지 약 400 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 200 nm 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 콜로이드 결정은 약 1 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 90 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 80 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 70 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 60 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 40 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 콜로이드 수용액에 계면활성제 및 오일을 처리하여 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 형성하는 단계(S20)를 수행할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 오일은 탄소수 10 이상의 알칸류, 실리콘 오일, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 탄소수 10 이상의 알칸류의 비제한적 예로서, 탄소수 10 내지 20의 알칸류, 또는 탄소수 15 내지 20의 알칸류를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 오일은 펜타데케인(pentadecane), 헥사데케인(hexadecane), 헵타데케인(heptadecane), 또는 옥타데케인(octadecane)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 형성하는 단계는, 예를 들어, 상기 콜로이드 수용액에 계면활성제로서 하이퍼머 2296 및 오일로서 헥사데케인을 이용하여 처리함으로써 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하여 상기 콜로이드 결정을 형성하는 단계(S30)를 수행할 수 있다. 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정은, 상기 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하는 과정에서 증류수가 증발되면서 일어나는 콜로이드 입자의 자기조립(self-assembly)에 의하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하는 과정에서 수분의 증발과 자기조립(self-assembly)에 따른 콜로이드 결정화가 동시에 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 콜로이드 입자는 액적 내에 존재할 경우 균일하지 않게 분산된 형태로서 존재하나, 이를 건조시키는 공정을 거치면서 상기 콜로이드 입자 간의 간격이 없어지고 촘촘한 면심입방구조의 정렬된 형태를 가지게 되는데, 이를 일컬어 "자기조립"이라 표현할 수 있다. 단순한 건조만으로도 자기조립이 일어날 수 있는 이유는, 수분이 증발됨에 따라 입자의 농도가 증가하게 되며, 이에 따라 균일한 입자 배열을 가지게 되기 때문이다.
따라서, 본원에 의하여 콜로이드 입자의 자기조립(self-assembly)에 의하여 형성되는 콜로이드 결정을 이용하여 염료감응 태양전지의 산란층을 형성함으로써, 상기 산란층을 용이하고 경제적인 공정에 의하여 단시간에 제조할 수 있다는 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정을 형성하는 단계 이후에 상기 콜로이드 결정을 분리하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정을 분리하는 단계 이후에 상기 콜로이드 결정을 알코올에 분산시키는 단계, 및 상기 알코올을 증발시키는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
마지막으로, 상기 콜로이드 결정을 상기 광전극 상에 도포하여 상기 산란층을 형성하는 단계(S40)를 수행할 수 있다. 예를 들어, 에탄올에 분산시킨 상기 콜로이드 결정을 피펫에 주입하여 상기 콜로이드 결정을 상기 광전극 상에 도포할 수 있는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 설명한 과정에 따라, 염료감응 태양전지의 산란층을 형성할 수 있다.
본원에 따라 형성된 염료감응 태양전지의 산란층에 있어서, 상기 콜로이드 결정은 콜로이드 입자가 일정하게 배열된 광자 결정의 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 산란층은 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사시키고 특정 파장의 빛을 선택적으로 투과시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따라 형성된 염료감응 태양전지의 산란층은 구형의 콜로이드 결정으로 구성된 것으로서 모든 각도에서 동일한 구조를 가지므로, 상기 산란층이 형성된 영역 전체에 대하여 동일한 파장의 빛에 대하여 반사 효과를 가지는 고효율 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다. 일반적인 광자 결정의 경우 보는 각도에 따라 광자 결정의 구조가 달라져 상이한 빛을 반사하게 되지만, 본원에서 산란층 형성을 위해 이용되는 콜로이드 결정의 경우 구형이므로 보는 각도에 따라 광자 결정의 구조가 영향을 받지 않아 특정 파장의 가시광선을 선택적으로 반사시킨다는 효과가 있다. 즉, 일반적인 광자 결정의 경우 보는 각도에 따라 반사 파장이 의존하게 되지만, 본원의 콜로이드 결정의 경우에는 보는 각도에 따라 반사 파장이 의존하지 않게 된다.
또한, 본원에 따라 형성된 산란층이 염료감응 태양전지용 광전극에 포함되도록 하는 경우, 상기 산란층은 상기 광전극에 조사된 빛의 양 대비 방출되는 전자의 수를 특정한 파장에서 일정하게 유지되도록 하는 역할을 담당할 수 있기 때문에, 결과적으로 상기 광전극의 전류밀도가 증가되도록 할 수 있다.
이하, 본원의 염료감응 태양전지에 포함되는 상대전극(500)의 제조 방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 염료감응 태양전지의 구성요소 가운데, 상기 상대전극(500)은 상기 광전극(200)에 대향되어 배치되어 있다. 상기 상대전극(500)은, 전극용 투명 기재 상에 전도성 투명 전극이 형성되어 있는 전도성 투명 기재(100), 및, 선택적으로, 상기 투명 전극 상에 형성된 전도층을 포함할 수 있다.
상기 상대전극(500)에 있어서 전도성 투명 기재(100)는, 상기 광전극(200)에 이용되는 전도성 투명 기재(100)와 마찬가지로, 투명 기재 상에 전도성 투명 전극을 코팅 또는 증착하여 형성할 수 있다. 여기서, 상기 투명 기재로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 가지는 물질이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리 기재 또는 투명 고분자 기재를 사용할 수 있다. 상기 투명 고분자 기재의 재료로는, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 또는 이들의 공중합체 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 이러한 투명 기재 상에 형성되는 상기 전도성 투명 전극은, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 산화물을 포함하며, 예를 들어, 전도성, 투명성, 및 내열성이 우수한 산화주석(SnO2), 또는 비용 면에서 저렴한 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 전도성 투명 기재(100)를 채용하는 이유는 태양광이 투과되어 내부로 입사될 수 있도록 하기 위함이다. 그리고, 본원을 설명하는 명세서에서 "투명"이라는 단어의 의미는, 소재의 광 투과율이 100%인 경우뿐만 아니라 광 투과율이 높은 경우를 모두 포함한다.
한편, 상기 상대전극(500)에 포함되는 상기 전도층은 산화·환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), 산화텅스텐(WO3), 이산화티타늄 (TiO2), 또는 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 상대전극(500)의 일면에 형성된 전도층은 반사율이 높을수록 효율이 우수하므로, 반사율이 높은 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
이하, 본원의 염료감응 태양전지에 포함되는 전해질-함유 층(600)의 제조 방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 염료감응 태양전지의 구성요소 가운데, 상기 광전극(200)과 상기 상대전극(500) 사이에는 전해질을 포함하는 액체(전해액), 고체 고분자 전해질 또는 겔형 고분자 전해질을 주입하여 전해질-함유 층(600)을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전해질은, 예를 들어, 요오드화물(iodide)을 포함하며, 산화·환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 전자를 잃었던 염료분자에게 받은 전자를 전달하는 역할을 수행한다. 상기 전해질은 광전극의 기공 내부로 균일하게 분산되어 있을 수 있다. 상기 전해질은 전해액으로 이루어질 수 있으며, 상기 전해액은 요오드화물(iodide)/삼요오드화물(triodide) 쌍으로서 산화·환원에 의해 상대전극(500)으로부터 전자를 받아 염료분자에게 전달하는 역할을 수행하는 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전해질로서는 요오드(Iodine, I2)를 아세토니트릴(ACN)에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질로서는 0.7 M 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 요오드화물(1-butyl-3-methylimidazolium iodide, BMII), 0.03 M 요오드(Iodine, I2), 0.1 M 구아니디움 티오시아네이트(Guanidium thiocyanate, GSCN), 및 0.5 M 4-터트-부틸피리딘(4-tert-buthylpyridine, 4-TBP)을 아세토니트릴(ACN)과 발레노니트릴(VN)의 혼합액(부피비 85:15)에 용해시켜 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 염료감응 태양전지에 포함되는 전해질의 누출을 방지하기 위하여, 상기 광전극(200)과 상기 상대전극(500)의 가장 자리에는 밀봉부가 형성될 수 있다. 상기 밀봉부는 열가소성 고분자물질을 포함하며, 열 또는 자외선에 의하여 경화된다. 구체적인 예로, 밀봉부는 에폭시 수지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 밀봉부로서 수십 마이크로미터 두께의 고분자 필름을 광전극(200)과 상대전극(500) 사이에 끼워 넣어 간격을 유지할 수 있다.
한편, 염료감응 태양전지에 사용될 수 있는 전해질은 그 성상에 따라 액체 전해질, 겔형 전해질, 및 고체 전해질로 구분될 수 있는데, 앞서 설명한 액체 전해질을 사용하여 태양전지를 제조할 경우 에너지 전환효율이 높아진다는 장점이 있지만, 액체 전해질에 포함된 용매가 외부 온도의 증가와 태양전지의 밀봉 상태에 따라 누출되거나 휘발됨으로써 태양전지의 수명이 낮아질 수 있다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여, 본원의 염료감응 태양전지에서 사용되는 상기 전해질은 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 겔형 전해질은, 예를 들어, 요오드계 산화/환원쌍(I3 -/I-); 저휘발성 유기 용매; 및 고분자 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 요오드계 산화/환원쌍을 형성하기 위한 요오드화염은, n-메틸이미다졸륨 요오드, n-에틸이미다졸륨 요오드, 1-벤질-2-메틸이미다졸륨 요오드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 요오드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-프로필이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-이소프로필이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-부틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-이소부틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-s-부틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-펜틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-이소펜틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-헥실이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-이소헥실이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-엑틸이미다졸륨 요오드, 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨 요오드, 1-에틸-3-이소프로필이미다졸륨 요오드, 1-프로필-3-프로필이미다졸륨 요오드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 저휘발성 유기 용매는, 메톡시프로피오니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 감마-부티로락톤, 디메틸포름아미드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 고분자 물질은 액체 전해질을 겔화시킴으로써 겔형 전해질을 제조하기 위한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 고분자 물질은 전도성 고분자로서, 종래의 액체 전해질처럼 전자 전달이 가능한 것이며, 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 단점 중의 하나인 누액 및 휘발 문제를 해결할 수 있는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 겔형 전해질에 포함되는 고분자 물질은, 폴리에틸렌옥시드(PEO), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-HFP), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 요오드계 산화/환원쌍을 형성하기 위한 요오드화염 및 상기 고분자 물질의 비는 중량% 기준으로 1:1 내지 1:3 인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원의 염료감응 태양전지에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
< 실시예 1>
유리 기재 상에 전도성의 ITO 투명전극을 형성하여 전도성 투명 기재를 형성하였다. 상기 전도성 투명 기재 상에 이산화티타늄을 포함하는 차단층을 형성하였다. 구체적으로, 상기 이산화티타늄을 포함하는 차단층은 상기 전도성 투명 기재를 0.1 M 농도의 TiCl4 수용액에 담근 후 70℃ 오븐에 30 분간 놓아두는 방법으로 형성하였다.
이후, 상기 차단층 상에 감광성 염료가 흡착된 광전극을 형성하였다.
상기 광전극 제조에는 슬러리 즉 이산화티타늄 나노입자를 사용하였다. 상기 이산화티타늄 나노입자들을 제조하기 위하여, 우선, 에틸 알코올 50 ml에 이산화티타늄 나노분말(18 중량%)과 트리톤 X-100(2 중량%)을 첨가하고 3 시간 동안 교반한 용액(용액 1), 및 에틸 알코올 50 ml에 α-테르피네올(60 중량%)과 에틸 셀룰로오스(20 중량%)를 첨가하고 3 시간 동안 교반한 용액(용액 2)를 준비하였다. 그 후, 상기 용액 1 및 용액 2를 혼합하여 24 시간 동안 교반한 후, 농축기를 이용하여 에틸 알코올을 증발시킴으로써 점성 있는 이산화티타늄 페이스트를 제조하고, 농도를 3.6 중량%로 맞추어 상기 이산화티타늄 나노입자들을 수득하였다. 수득한 이산화티타늄 나노입자들을 닥터 블레이드 방법을 이용하여 투명 전도성 기판에 도포하였다. 광전극을 이루는 이산화티타늄 표면에 흡착되어 있는 염료분자로는 루테늄 또는 쿠마린계 염료분자 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
구체적으로 본 실시예에서는 루테늄계 염료분자인 N719 염료를 Dyesol 회사로부터 구입하여 사용하였다. N719를 무수 에탄올(anhydrous ethanol)에 분산시켜 0.5 mM의 농도로 맞추어 광전극을 하루 동안 담가 염료를 흡착시켰다.
이후, 상기 광전극 상에 실리카 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 형성하였다. 상기 산란층을 형성하는 단계는, 실리카 콜로이드 입자를 증류수에 분산시켜 실리카 콜로이드 수용액을 제조하는 단계, 상기 실리카 콜로이드 수용액에 계면활성제 및 오일을 처리하여 실리카 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 형성하는 단계, 상기 실리카 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하여 상기 실리카 콜로이드 결정을 형성하는 단계, 및 상기 실리카 콜로이드 결정을 상기 광전극 상에 도포하여 상기 산란층을 형성하는 단계의 순서로 진행되었다.
우선, 상기 실리카 콜로이드 입자는 졸-겔법으로 합성하였다. 구체적으로, 상기 실리카 콜로이드 입자는 300 mL 플라스크에서 에탄올 200 mL와 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS) 8.5 mL를 혼합하여 혼합물을 생성한 후에, 증류수 18 mL와 암모니아 수용액 9 mL를 상기 혼합물에 첨가하고 5 시간 동안 실온에서 교반함으로써 합성하였다. 이처럼 합성된 실리카 콜로이드 입자의 크기는 약 310 nm였다. 상기 합성된 실리카 콜로이드 입자는 증류수로 수차례 세척한 후 증류수에 분산시켜 실리카 콜로이드 수용액을 제조하였다. 이후, 상기 실리카 콜로이드 수용액에 계면활성제인 하이퍼머 2296 및 오일인 헥사데케인을 혼합하여 1 중량%가 되도록 처리함으로써 실리카 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 형성하였다. 상기 실리카 콜로이드 수용액/오일 에멀젼에서 수분은 증발시키고 콜로이드는 결정화시키기 위하여 약 60 ℃ 오븐에서 12 시간 동안 건조시켰다. 이에 따라 수분이 증발되면서 자기조립(self-assembly)에 의하여 약 9 μm 크기를 가지는 구형의 실리카 콜로이드 결정이 형성되었으며, 상기 실리카 콜로이드 결정을 에탄올에 분산시켰다. 상기 에탄올에 분산시킨 실리카 콜로이드 결정은 피펫을 이용하여 광전극 위에 도포하였다. 이후 상기 에탄올을 건조시킴으로써 광전극 상의 산란층을 완성하였다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 산란층의 SEM 사진으로서, 도 3a는 약 310 nm 크기의 실리카 콜로이드 입자를 포함하는 약 9 μm 크기의 구형의 실리카 콜로이드 결정의 SEM 사진이고, 도 3b는 도 3a의 실리카 콜로이드 결정을 광전극 상에 도포하여 형성한 산란층의 SEM 사진이며, 도 3c는 도 3a의 실리카 콜로이드 결정을 확대하여 내부의 약 310 nm 크기의 실리카 콜로이드 입자들의 배열을 관찰한 SEM 사진이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 알코올에 분산된 실리카 콜로이드 결정에 빛이 반사되는 사진이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 알코올에 분산된 실리카 콜로이드 결정의 빛의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프로서, 약 310 nm 크기의 실리카 콜로이드 입자를 포함하는 실리카 콜로이드 결정의 경우 약 700 nm 파장에서 투과도의 극소값을 가지는 바 약 700 nm 파장의 빛을 반사시킨다는 것을 나타낸 것이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 실리카 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지(실시예), 및 산란층을 포함하지 않는 염료감응 태양전지(비교예) 각각에 있어서, 빛의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프로서, 산란층을 포함할 경우 비교적 낮은 빛의 투과도를 가지게 됨을 나타낸 것이다.
한편, 상기 전도성 투명 기재에 평행하게 배치되어 있는 상대전극은, 유리 기재에 투명 전극을 형성한 후 백금층을 형성함으로써 제조하였다. 구체적으로, 상기 백금층은 염화백금산(H2PtCl6) 용액을 전도성 투명 기재에 바르고, 50℃인 핫 플레이트에 놓고 용매를 증발시킨 뒤, 450℃에서 30 분 동안의 열처리를 하여 형성하였다.
이어서, 상기 광전극 및 상기 백금층이 형성된 상대전극 사이에 전해질을 주입하였다. 상기 전해질은 상기 계층형 다공성 이산화티타늄 구조체를 포함하는 광전극의 기공 내부에도 침투할 수 있다. 전해질은 몇 가지 성분을 혼합하여 제조할 수 있는데, 본원의 실시예에서는 요오드계 산화·환원 쌍을 가지는 액체 전해질을 사용하였다. 구체적으로, 상기 전해질로서 solaronix 사의 AN-50 전해질을 사용하였으며, 전해질 용액이 새어 나오지 않도록 하기 위해 약 60 ㎛ 두께의 설린(Surlyn)을 이용하여 전지를 밀봉하였다.
AM 1.5, 100 mW/cm2의 조건에서, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 전류밀도(Jsc), 전압(Voc), 충진계수(FF), 및 에너지 전환효율(EFF) 값을 측정하였고, 그 결과는 도 7 및 하기 표 1에 나타낸 바와 같다. 본 실시예에 따른 실리카 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지(실시예)의 효율을 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 효율과 비교하기 위하여, 산란층을 포함하지 않는 염료감응 태양전지(비교예)의 데이터도 함께 나타내었다:
면적 Jsc( mA / cm 2 ) Voc (V) FF Eff .(%)
비교예 9.43 5.72 0.566 0.661 2.140
실시예 9.49 8.24 0.611 0.670 3.372
또한, 실리카 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지(실시예), 및 산란층을 포함하지 않는 염료감응 태양전지(비교예) 각각에 있어서, 광전류-전압(I-V; Current density-Voltage) 특성을 도 7의 그래프로서 도시하였다. 도 7을 참조하면, 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지(실시예)의 경우 전류밀도와 개방전압이 향상됨을 확인할 수 있다.
< 실시예 2>
콜로이드 입자로서 폴리스타이렌(polystyrene) 콜로이드 입자(크기 약 300 nm)를 이용하여 구형의 폴리스타이렌 콜로이드 결정 (크기 약 50 μm ~ 260 μm)을 하기와 같이 제조하였다.
구체적으로, 상기 폴리스타이렌 콜로이드 입자는 250 mL 플라스크에 증류수 95 mL와 스타이렌 9 mL을 혼합한 후, KPS(Potassium persulfate) 0.02g과 증류수 5 mL의 혼합용액을 첨가하고 80℃에서 16 시간 교반함으로써 합성하였다.
상기 구형의 폴리스타이렌 콜로이드 결정은 상기 폴리스타이렌 콜로이드 입자를 이용하여 상기 실시예 1에서 실리카 콜로이드 결정의 제조 과정과 동일하게 제조되었다. 즉, 상기 합성된 폴리스타이렌 콜로이드 입자는 증류수로 수차례 세척한 후 증류수에 분산시켜 폴리스타이렌 콜로이드 수용액을 제조하였다. 이후, 상기 폴리스타이렌 고분자 콜로이드 분산 수용액에 계면활성제인 하이퍼머 2296 및 오일인 헥사데케인을 혼합하여 1 중량%가 되도록 처리함으로써 폴리스타이렌 고분자 콜로이드 분산 수용액/오일 에멀젼을 형성하였다. 상기 폴리스타이렌 고분자 콜로이드 분산 수용액/오일 에멀젼에서 수분은 증발시키고 상기 폴리스타이렌 고분자 콜로이드는 결정화시키기 위하여 약 60℃ 오븐에서 12 시간 동안 건조시켰다. 이에 따라 수분이 증발되면서 자기조립(self-assembly)에 의한 구형의 폴리스타이렌 고분자 콜로이드 결정이 형성되었으며, 상기 폴리스타이렌 고분자 콜로이드 결정을 에탄올에 분산시켰다. 상기 에탄올에 분산시킨 폴리스타이렌 고분자 콜로이드 결정은 피펫을 이용하여 광전극 위에 도포하였다. 이후 상기 에탄올을 건조시킴으로써 광전극 상의 산란층을 완성하였다.
도 8은, 본 실시예에 있어서 상기 폴리스타이렌 콜로이드 입자를 이용하여 제조된 구형의 폴리스타이렌 콜로이드 결정의 SEM 사진으로서, 도 8a는 상기 구형의 폴리스타이렌 콜로이드 결정의 SEM 사진 (스케일 바 = 500 ㎛), 도 8b는 상기 구형의 폴리스타이렌 콜로이드 결정의 SEM 사진 (스케일 바 = 50 ㎛), 도 8c는 상기 구형의 폴리스타이렌 콜로이드 결정의 표면의 SEM 사진 (스케일 바 = 3 ㎛)을 각각 나타낸다.
이와 같이 제조된 구형의 구형의 폴리스타이렌 콜로이드 결정을 이용하여 상기 실시예 1에 기재된 바와 같이 염료감응 태양전지의 산란층으로서 사용할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 전도성 투명 기재
200: 광전극
300: 콜로이드 결정
400: 산란층
500: 상대전극
600: 전해질-함유 층

Claims (24)

  1. 전도성 투명 기재 상에 형성되며 염료가 흡착되어 있는 광전극;
    상기 광전극 상에 형성되며, 콜로이드 입자의 자기조립(self-assembly)에 의하여 형성된 콜로이드 결정을 함유하는 산란층;
    상기 산란층과 대향되는 상대전극; 및,
    상기 산란층과 상기 상대전극 사이에 위치하는 전해질-함유 층
    을 포함하는, 염료감응 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜로이드 결정은 고분자 콜로이드 결정 또는 무기 콜로이드 결정을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고분자 콜로이드 결정은 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/디비닐벤젠(PS/DVB), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트)(PBMA), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 고분자 콜로이드 입자를 포함하여 형성된 것인, 염료감응 태양전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 무기 콜로이드 결정은 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 무기 콜로이드 입자들을 포함하여 형성된 것인, 염료감응 태양전지.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산란층에 함유된 상기 콜로이드 결정의 입자 크기에 따라 상기 산란층에서 반사되는 빛의 파장이 제어되는 것인, 염료감응 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜로이드 결정은 구형인, 염료감응 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전극은 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질-함유 층은 전해질-함유 전해액, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 투명 기재와 상기 광전극 사이에 형성된 차단층을 추가 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체는, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  12. 전도성 투명 기재 상에 염료가 흡착된 광전극을 형성하는 단계;
    상기 광전극 상에 콜로이드 입자의 자기조립(self-assembly)에 의하여 형성된 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 형성하는 단계;
    상기 산란층과 대향되도록 상대전극을 배치하는 단계; 및,
    상기 산란층과 상기 상대전극 사이에 전해질-함유 층을 형성하는 단계
    를 포함하는, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 콜로이드 결정은 고분자 콜로이드 결정 또는 무기 콜로이드 결정을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 고분자 콜로이드 결정은 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/디비닐벤젠(PS/DVB), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트)(PBMA), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 고분자 콜로이드 입자들을 포함하여 형성된 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 무기 콜로이드 결정은 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 무기 콜로이드 입자들을 포함하여 형성된 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 광전극 상에 콜로이드 입자의 자기조립(self-assembly)에 의하여 형성된 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 형성하는 단계는,
    상기 콜로이드 입자를 물에 분산시켜 콜로이드 수용액을 형성하고;
    상기 콜로이드 수용액에 계면활성제 및 오일을 첨가하여 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 형성하고;
    상기 콜로이드 수용액/오일 에멀젼을 건조하여 물을 제거하여 콜로이드 입자가 자기조립되어 형성된 상기 콜로이드 결정을 분리하여 수득하고; 및,
    상기 수득된 콜로이드 결정을 용매에 재분산하여 상기 광전극 상에 도포하여 상기 산란층을 형성하는 것
    을 포함하는 것인,
    염료감응 태양전지의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 콜로이드 입자는 졸-겔법으로 합성되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 오일은 알칸류, 실리콘 오일, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  19. 삭제
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 콜로이드 결정은 구형인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 광전극은 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  22. 제 12 항에 있어서,
    상기 전해질-함유 층은 전해질-함유 전해액, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  23. 제 12 항에 있어서,
    상기 전도성 투명 기재와 상기 광전극 사이에 차단층을 형성하는 것을 추가 포함하는, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 메조 다공성 전이금속 산화물 구조체는, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
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