KR101268017B1 - 나노볼이 코팅된 와이어 메쉬 광전극 및 그 제조방법 그리고, 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노크기의 금속산화물을 직접 전기분사하여 나노볼을 형성하고, 이 나노볼이 코팅된 와이어 메쉬를 광전극으로 제조할 수 있어 제조공정이 단순하여 작업성을 향상할 수 있는 나노볼이 코팅된 와이어 메쉬 광전극 및 그 제조방법 그리고, 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 광전극은 집전체; 및 상기 집전체의 상부로 나노입자의 금속산화물이 응집되도록 전기분사하여 다수의 나노볼 형태로 적층되는 금속산화물 나노볼층을 포함한다.

Description

나노볼이 코팅된 와이어 메쉬 광전극 및 그 제조방법 그리고, 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법{Photo Electrode of Wire-Mesh Coated Nano-Sized Ball and Method for Manufacturing The Same and Dye-Sensitized Photovoltaic Cell Having the Photo Electron and Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 나노크기의 금속산화물을 직접 전기분사하여 나노볼을 형성하고, 이 나노볼이 코팅된 와이어 메쉬를 광전극으로 제조할 수 있어 제조공정이 단순하여 작업성을 향상할 수 있는 나노볼이 코팅된 와이어 메쉬 광전극 및 그 제조방법 그리고, 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
염료감응 태양전지(dye-sensitized photovoltaic cell)는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 광전기화학 태양전지로 대표되는 것으로서, 일반적으로 광전극(photo electrode), 상대전극(counter electrode), 및 전해질로 구성된다. 그 중 광전극은 투명전도성 산화물 기판 위에 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속산화물 나노입자 및 감광성 염료를 흡착시켜 사용하고, 상대전극으로는 백금(Pt)을 코팅하여 사용한다.
염료감응 태양전지는 태양광이 입사되면 태양광을 흡수한 감광성 염료가 여기상태(勵起狀態, excited state)로 되어 전자를 금속산화물의 전도대로 보낸다. 전도된 전자는 전극으로 이동하여 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 전기에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대전극으로 이동한다. 그 후, 감광성 염료는 금속산화물에 전달한 전자수 만큼 전해질 용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이때 사용되는 전해질은 산화-환원 반응에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 감광성 염료에 전달하는 역할을 한다.
이러한 염료감응 태양전지는 그 생산단가가 저렴하여 종래의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 그러나 염료감응 태양전지는 종래의 실리콘 태양전지에 비하여 에너지 변환효율(energy conversion efficiency)이 낮아 상용화가 어려운 단점이 있다.
염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 높이기 위해서는 전지의 감광성 염료에 도달하는 태양광의 손실을 최소화하고, 태양광에 의해 염료에서부터 발생된 전하가 각각의 전극으로 원활하게 이동하도록 하는 것이 중요하다.
염료감응 태양전지를 구성하는 2 개의 전극 중, 금속산화물 나노입자를 포함하는 광전극(photo electrode)은 일반적으로 전도성 기판 위에 금속산화물 나노입자를 포함하는 페이스트를 도포하고 고온에서 소결하는 방법으로 제조된다.
그러나, 나노입자의 특성상 상기 페이스트가 전도성 기판에 완벽하게 도포될 수 없으며, 이로 인하여 금속산화물 나노입자가 도포되지 않은 부분의 기판이 전해질과 직접 접촉하게 되어 기판에 도달한 전자가 전해질로 소실되며, 그에 따라 전지의 에너지 전환효율이 낮아지게 된다.
또한, 일반적으로 광전극용 기판에는 높은 소결온도에서도 안정한 FTO(fluorine-doped tin oxide) 또는 ITO(indium tin oxide)을 도포하여 태양전지용 전극의 집전체로 사용하게 된다.
광전극용 기판에 FTO 또는 ITO를 사용한 종래의 예는 한국공개특허 제2008-67586호, 제2009-12595호 및 제2010-26364호에 개시되어 있다.
상기 공개특허들에서 사용된 FTO는 표면이 거칠기 때문에 기판에 도달한 태양광이 기판의 거친 표면에서 산란될 수 있으며, 전극의 투명도가 떨어지기 때문에 입사된 태양광이 염료에 효과적으로 전달되지 못하는 단점이 있다. 또한, FTO 박막을 증착하기 위하여 대형 스퍼터링 장치와 같은 고가의 장비가 필요하므로 제작비용 증가의 요인이 된다.
또한, 한국공개특허 제2010-39637호에는 나노볼을 금속산화물층으로 사용하는 기술이 개시되어 있으나, 전도성 기판으로 여전히 ITO 또는 FTO를 증착하여야하는 기존의 문제점을 그대로 가지고 있다.
또한, ITO는 고가이므로 태양전지의 제조단가를 상승시키는 요인이 된다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 ITO 또는 FTO를 사용하지 않고 다공성 Ti-시트 및 Ti-와이어 메쉬를 사용하는 기술이 각각 어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter(2008): Shuhi Hayase) 및 한국공개특허 제2010-2440호에 개시되었다.
상기의 경우는 광전극과 대향전극 사이에 단락을 방지하기 위한 간격 유지를 위해 스페이서의 사용이 필수적인 요소가 된다. 따라서, 태양전지의 박막화를 저해하는 요소로 작용한다.
또한, 종래의 어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter(2007): Dechun Zou)에 개시된 와이어 메쉬는 금속산화물 전구체 용액에 담지한 후 열처리하여 이산화티탄(TiO2)층을 형성하였으며 금속 산화물 전구체 용액의 농도를 변화하여 이산화티탄층의 두께를 조절하였다.
이처럼 종래의 와이어 메쉬의 경우 금속산화물 전구체 용액을 사용하여 산화티탄층을 형성하는 것이나, 인체에 유해한 전구체 용액의 사용은 친환경적이지 못하고 추후 열처리 공정을 거쳐야하므로 작업성이 저하되는 문제점이 있었다.
KR 2008-67586 A KR 2009-12595 A KR 2010-26364 A KR 2010-2440 A KR 2010-39637 A
Applied Physics Letter(2008): Shuhi Hayase Applied Physics Letter(2007): Dechun Zou
따라서, 본 발명의 목적은 금속산화물 전구체 용액을 사용하지 않고 금속산화물을 금속 메쉬 위에 전기분사를 통해 직접 코팅하고 광전극을 제조하므로 별도의 증착공정이나 열처리 공정을 생략하여 공정을 단순화할 수 있는 나노볼이 코팅된 와이어 메쉬 광전극 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고가의 재료인 ITO 또는 FTO를 사용하지 않으며, ITO 또는 FTO를 증착하지 않고 금속 메쉬상에 금속산화물을 전기분사함으로 고가의 장비를 사용하지 않아도 되므로 제조 단가를 낮출 수 있는 나노볼이 코팅된 와이어 메쉬 광전극 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광전극 제조시 전기분사를 통한 금속 메쉬위에 금속산화물을 코팅하고 광전극과 대향전극 간에 전기분사에 의한 분리막을 사용하여 별도의 스페이서가 필요 없어 태양전지의 박막화를 도모할 수 있는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 메쉬형태의 기판을 집전체로 사용하고 가요성을 가지는 투명커버를 사용하므로 태양전지를 대면적화 할 수 있는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 일 양태에 따르면, 염료감응형 태양전지의 광전극에 있어서, 집전체; 및 상기 집전체의 상부로 나노입자의 금속산화물이 응집되도록 전기분사하여 다수의 나노볼 형태로 적층되는 금속산화물 나노볼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극을 제공한다.
상기 금속 산화물 나노입자는 산화티타늄，산화아연，산화주석，산화니오륨，산화텅스텐，산화스트론튬，또는 산화지르코늄 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 금속산화물 나노입자는 직경이 l 내지 50nm인 것을 특징으로 한다.
상기 집전체는 금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법에 있어서, 금속산화물 나노입자를 용매에 균일하게 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계; 및 금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹의 상부로 나노입자의 금속산화물이 응집되도록 상기 분산용액을 전기분사하여 다수의 나노볼 형태로 이루어진 금속산화물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법을 제공한다.
상기 용매는 알코올 계열의 유기용매로 에탄올과 부탄올 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 산화물 나노입자는 산화티타늄，산화아연，산화주석，산화니오륨，산화텅스텐，산화스트론튬，또는 산화지르코늄 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
금속산화물 나노입자는 직경이 l 내지 50nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 금속산화물 나노입자를 용매에 균일하게 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계; 금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹의 일면에 나노입자의 금속산화물이 응집되도록 상기 분산용액을 전기분사하여 다수의 나노볼 형태로 이루어진 금속산화물층을 형성하는 단계; 상기 금속산화물층의 나노볼 외주에 염료를 흡착시켜 광전극을 준비하는 단계; 상기 광전극과 상대전극 사이에 분리막을 삽입하여 조립하는 단계; 및 상기 광전극과 상대전극의 외측에 각각 가요성 투명커버를 조립하여 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 용매는 알코올 계열의 유기용매로 에탄올과 부탄올 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 산화물 나노입자는 산화티타늄，산화아연，산화주석，산화니오륨，산화텅스텐，산화스트론튬，또는 산화지르코늄 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
금속산화물 나노입자는 직경이 l 내지 50nm인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹과 그 상부에 형성된 금속산화물층을 열압착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹의 일면에 나노입자의 금속산화물이 응집되도록 상기 분산용액을 전기분사하여 다수의 나노볼 형태로 이루어진 금속산화물층과, 상기 금속산화물층의 나노볼 외주에 흡착시킨 염료층을 포함하는 광전극; 금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹의 일면에 형성된 전도성막과, 상기 전도성막의 상부로 형성된 촉매층을 포함하는 상대전극; 상기 광전극과 상대전극 사이에 삽입하는 분리막; 및 상기 광전극과 상대전극의 외측에 각각 조립하여 밀봉하는 가요성 투명커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 금속산화물 전구체 용액을 사용하지 않고 금속산화물을 직접 전기분사 방식에 의해 코팅하여 광전극을 제조하므로 별도의 증착공정이나 열처리 공정을 필요로 하지 않아 작업성이 향상되고 고가의 재료 및 장비를 사용하지 않아도 되므로 비용이 절감되는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면, 인체에 유해한 금속산화물 전구체 용액을 사용하지 않으므로 친환경적이다.
또한, 본 발명에 따르면, 스페이서를 별도로 두지 않아도 되는 박막의 분리막을 사용하므로 태양전지의 박막화에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 집전체로 메쉬를 사용하고 커버로 가요성의 투명커버를 사용하므로 롤투롤(Roll To Roll)방식의 대면적 태양전지의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 광전극을 제조하기 위한 전기분사법을 설명하기 위한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 광전극을 포함하는 태양전지의 개략도,
도 3a는 본 발명에 따른 금속 와이어 메쉬를 전자현미경으로 촬영한 SEM사진,
도 3b는 본 발명에 따른 금속 와이어 메쉬 위에 전기분사에 의해 코팅된 나노볼을 전자현미경으로 촬영한 SEM사진,
도 4a는 도 3a의 금속 와이어 메쉬를 열압착한 후에 전자현미경으로 촬영한 SEM사진,
도 4b는 도 3b의 나노볼을 열압착한 후에 전자현미경으로 촬영한 SEM사진.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
염료감응 태양전지의 제조방법은 크게 광전극 준비 단계, 상대전극 준비 단계, 두 전극의 조립, 및 전해질 주입 단계로 나눌 수 있는데, 상대 전극 준비단계, 두 전극의 조립 및 전해질 주입 단계는 본 발명의 실시예 방법 이외에도 할 수 있다.
본 발명은 금속산화물과 용매를 혼합하여 분산용액을 제조하고, 메쉬를 집전체로 사용하여 분산용액을 인가 전압의 조절에 의해 전기분사하면, 나노입자가 뭉쳐서 메조사이즈의 기공(크기 2nm~10nm)을 갖는 나노볼을 형성함에 의해 광전극을 제조한다.
본 발명의 광전극에 쓰이는 금속산화물 나노입자는 산화티타늄，산화아연，산화주석，산화니오륨，산화텅스텐，산화스트론륨，또는 산화지르코늄 등을 이용할 수 있으며，이 중 산화티타늄 나노입자를 사용하는 것이 바람직하고, 그 중에서도 아나타제형 결정을 지닌 산화티타늄 나노입자가 가장 바람직하다. 또한, 형태로는 나노입자, 속이 빈 나노입자, 메조기공성 나노입자, 나노로드, 나노튜브, 나노섬유 등이 가능하다.
이들 금속산화물 나노입자는 직경이 예를들어 l 내지 50nm 이며, 길이 대비 직경 (aspect ratio)은 1 내지 100 이고， 10 내지 300 m2/g의 비표면적을 지닌 것을 이용하는 것이 바람직하다. 특히 직경이 5 내지 30nm 이면서 50 내지 250 m2/g 정도의 높은 비표면적을 갖는 나노입자를 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
이러한 나노입자를 이용할 경우 고비표면적을 지니면서 메조사이즈의 기공을 가지는 금속산화물 나노입자가 뭉쳐진 나노볼이 제조된다.
여기서, 1nm 미만의 금속산화물 나노입자의 경우는 물질자체를 만들기 어렵고 만들더라도 고비용이므로 적합하지 않다. 또한, 치밀한 구조와 빛의 산란을 막기 위해 나노사이즈의 금속산화물을 사용하는데, 50nm를 초과하는 금속산화물 나노입자의 경우는 입자가 커서 산란이 시작되고 입자 사이에 10nm이상의 기공이 발생할 수 있으므로 적합하지 않다.
상기 금속산화물 나노입자는 용매에 분산되어 광전극의 제조를 위한 분산액 형태로 제조된다.
이와 같은 분산액 제조를 위한 분산용매로서는 금속산화물 나노입자가 분산 가능하고, 휘발성을 갖는 것으로, 알코올 계열의 유기용매가 사용되며, 예를 들면, 에탄올이 바람직하며，에탄올 단독으로 사용되기 보다는 에탄올보다 유전상수가 작으면서 비점이 80 내지 150℃인 용매, 바람직하게는 부탄올, 특히 3급 부탄올을, 전체 혼합용매의 중량 대비 25 내지 75중량%로 혼합시킨 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 분산용매에 금속산화물 나노입자가 분산되는데，일반적으로 금속산화물 나노입자가 분말상일 경우 제조과정에서 이미 나노입자 분말이 수백 nm 내지 수 ㎛크기로 서로 응집되어 있기 때문에, 제조된 분산액은 균질하지 않게 된다. 따라서, 응집된 나노입자를 분쇄하기 위하여 예를 들면, 초음파 분쇄, 마이크로 비드밀(micro bead mill)을 사용하여 기계적 분산을 실시하게 된다.
이러한 분산작업에 의해 응집된 금속산화물 나노분말이 1차 나노입자의 크기로 완전히 분리되어 분산된 균질 분산액을 제조하여 나노입자들이 분리된 매우 균질한 분산액을 제조할 수 있다.
이 때, 분산용매에 분산되는 금속산화물 나노입자의 첨가량은 전체 분산액의 중량 대비 0.01 내지 10 중량%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 5중량%이고, 특히 0.1 내지 3 중량%인 것이 가장 바람직하다. 농도가 높을수록 제조되는 나노볼 입자의 크기가 증대되어, 10 중량% 이상일 경우에는 볼의 크기가 3000nm 이상이 주성분으로 형성되므로 바람직하지 않다. 반대로 함량이 낮을수록 볼의 크기가 작아져서 농도가 0.1 중량% 이하일 경우에는 입자의 크기를 크게 감소시킬 수 있으나, 생산성이 너무 떨어지고 용매의 휘발에 문제가 발생하여 바람직하지 않다.
이와 같은 본 발명의 금속산화물 나노입자 분산액은 고분자를 비롯한 유기 바인더를 함유하지 않고 유기용매만을 사용하여 금속산화물 나노입자를 분산시킨 용액으로，추후 공정에서 금속산화물층에 균열이 생기지 않아 높은 광전변환효율을 가지게 된다.
상기와 같이 제조된 금속산화물 나노입자의 균일한 분산액은 광전극용 집전체로 사용되는 메쉬 예를 들면 Ti-메쉬에 전기분사하여 광전극을 제조한다.
본 발명에서 집전체로 사용할 수 있는 메쉬는 2차원 또는 3차원의 기공을 갖는 메쉬형태를 가지는 것이면 모두 가능한데, 금속성분 예를 들면 티타늄, 구리, 은, SUS 등으로 된 금속 와이어 메쉬일 수 있으며, 섬유성형성 고분자물질을 전기방사에 의해 형성한 탄소 나노 섬유 웹을 이용한 메쉬도 가능하다.
상기 탄소 나노 섬유 웹은 고분자 물질을 방사하여 초극세 섬유로 이루어진 다공성의 웹을 안정화 및 탄화 열처리 공정을 통하여 얻어지며, 상기 고분자 물질은 예를 들면, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 탄화처리시에 열분해가 발생하지 않는 섬유 성형성 고분자 물질이라면 모두 사용 가능하다.
상기 집전체로 사용되는 탄소 나노 섬유(CNF) 웹과 금속 와이어 메쉬는 전기전도도가 높아 전지 또는 커패시터의 전극용 집전체로서 요구되는 특성을 만족하고 있고, 또한, CNF 웹은 초극세 섬유가 3차원 네트워크(3D network) 구조를 가지고 있어 마크로포어(macro-pore)가 잘 발달되어 전해질의 침투가 용이하게 이루어질 수 있는 다공성 구조를 가지고 있다.
더욱이, 본 발명의 메쉬(집전체)는 초극세 섬유로 이루어진 웹이 탄화 열처리 공정을 거침에 따라 표면이 거칠기 때문에 전극 활물질이 결합될 때 최소한의 결합제(binder)를 사용하여 전극 제조가 이루어질 수 있고, 접착성이 우수하여 활물질이 탈락을 방지할 수 있게 된다.
이와 같은 메쉬형태의 전도성기판 위에 분산용액을 분사(spray) 하는 방식으로서 본 발명에서는 분사노즐과 메쉬 사이에 고전압 전기장을 부여하는 전기분사 (electrospray) 방법을 이용하는데, 이를 이용한 본 발명의 나노볼이 코팅된 메쉬 광전극 제조공정을 도 l을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 금속산화물 나노입자의 균일 분산액을 분산액 공급장치(1)에 충진한 후, 분사노즐(3)에 정량적으로 공급하고 분사노즐(3)과 메쉬층(11) 사이에 고전압발생기(2)로부터 고전압을 부여하게 되면，균일한 분산액이 극미세 방울로 분사되면서 메쉬층(11)로 날아가게 된다. 분사된 극미세 방울이 메쉬층(11)로 날아가는 과정에서 유기용매의 급격한 증발이 일어나면서，극미세 방울 속에 분산된 금속산화물 나노입자들은 정전기적 친화력으로 서로 매우 견고하게 응집되어，금속산화물 나노입자들로 구성된 메조기공성 금속산화물 나노볼(12a)을 메쉬층(11)에 형성하게 된다.
그결과, 다수의 금속산화물 나노볼(12a)은 메쉬층(11)에 축적되어 금속산화물 나노볼층(12)을 형성한다. 이렇게 형성된 금속산화물 나노볼은 초음파를 사용하여 용액 속에 재분산시킨다해도 나노볼 사이만 분리될 뿐 나노볼을 구성하는 일차 금속산화물 나노입자들로 해체되지 않을 정도와 매우 강력한 응집력을 지니게 된다.
첨부한, 도 3a는 본 발명에 따른 금속 와이어 메쉬를 전자현미경으로 촬영한 SEM사진이고, 도 3b는 본 발명에 따른 금속 와이어 메쉬 위에 전기분사에 의해 코팅된 나노볼을 전자현미경으로 촬영한 SEM사진이다.
도 3a에 보여지는 메쉬의 상부에 도 3b에 보여지는 나노볼이 적층되는 것이다.
상기 금속산화물 나노볼(12a)의 크기 및 분포는 분산액의 유기용매 종류 및 농도에 영향을 받고 있으나, 나노볼의 직경은 50 내지 3000nm, 바람직하게는 50 내지 1000nm이며, 볼의 직경이 작을수록 더욱 바람직하고 특히 50 내지 600nm인 것이 가장 바람직하다. 또한, 나노볼의 비표면적은 70 내지 300m2/g인 것이 바람직하다. 그리고 금속산화물 나노볼층(12)의 기공도는 70 내지 90%인 것이 바람직하다.
이로 인해 메조기공성 금속산화물 나노볼로 이루어진 본 발명의 다공성의 금속산화물 나노볼층(12)은 종래의 방식으로 제조된 금속산화물층보다 기공도, 비표면적이 높아서 메쉬를 기판으로 사용하여 적층이 가능함은 물론 염료흡착성이 훨씬 뛰어나다.
상기 과정을 통하여 제조된 금속산화물 메조기공성 나노볼층(12)은 적정 온도와 압력 하에서 열압착하여 나노볼 간에 기공이 있는 금속산화물 나노볼층(12)을 형성하는 것이 가능하다. 이는 도 4b를 통해 하기에서 설명한다.
먼저, 상기 금속산화물 나노입자로 이루어진 금속산화물 나노볼층의 열압착은 50 내지 200℃에서 이루어지고, 열 압착률은 100cm2당 0.1 내지 25톤인 것이 바람직하다. 예를 들면, 120℃에서 100cm2당 15톤의 열 압착률로 120초 동안 실시할 수 있다. 이러한 열압착에 의해 금속산화물 나노볼층(12)은 적정한 기공도를 지니게 되며, 입자간 계면 접촉특성 및 금속산화물 나노입자들과 메쉬층 간의 접착성이 향상된다.
도 4a는 도 3a의 금속 와이어 메쉬를 열압착한 후에 전자현미경으로 촬영한 SEM사진이고, 도 4b는 도 3b의 나노볼층을 열압착한 후에 전자현미경으로 촬영한 SEM사진이다.
즉, 도 4b를 참고하면, 열압착 후에 나노볼층은 나노볼 간의 기공을 가지는 것을 알 수 있으므로 광전효율을 증대시킬 수도 있다.
상기와 같이 전기분사에 의해 형성된 나노볼층을 다공성의 금속산화물 나노볼층(12)으로 사용하여 염료감응 태양전지용 광전극을 제조하기 위해 나노볼층에 염료를 흡착시킨다. 예를 들어, 루테늄계 염료 분자(3×lO4 M 농도의 N719 염료 등)가 용해된 에탄올 용액에 다공성 금속산화물 나노볼층이 형성된 전도성 기판을 12시간 이상 함침시켜 염료를 흡착시킨 후 에탄올로 세척 및 건조시켜，염료가 흡착된 광전극을 완성한다. 이러한 나노볼층에 흡착되는 염료로는 루테늄(ruthenium)계 염료 또는 쿠마린(coumarin)계의 유기 염료가 바람직하나，이에 한정되는 것은 아니다.
이상 설명한 광전극 제조공정이 본 발명의 염료감응 태양전지 제조공정에 있어서 특정적인 부분이며，그 이외의 상대전극 제조공정과 두 전극의 조립 및 전해질 주입 공정을 실시할 수 있다.
예를 들어, ITO 또는 FTO가 코팅된 투명 플라스틱 또는 유리기판 위에 백금층을 코팅하여 상대 전극을 제조할 수 있다. 또한 이러한 백금층 대신에 탄소 입자，탄소나노섬유，탄소나노튜브，그래펜 단일층 및 그래펜 다중층(20층 이하，두께 5nm 이하)，전도성 고분자，또는 이들의 혼합물로 이루어진 코팅층이 사용될 수 있다.
또한, 상대전극으로는 광전극과 유사하게 금속메쉬에 백금(Pt)을 코팅한 것을 집전체로 사용할 수 있다. 여기서, 백금(Pt)은 촉매층의 역할을 수행한다.
그리고 이와 같이 제조된 상대 전극(양극)과 광전극(음극)을 조립한다.
양 전극을 조립할 때는 양극 및 음극에서 전도성 표면이 안쪽으로 오도록 한다. 다음으로，상기 두 전극 사이의 공간에 액체 전해질이나 고분자 겔 전해질을 채워 넣는다. 예컨대，액체 전해질로는 아세토니트릴/발레로니트릴 혼합액에 헥실 디메틸이미다졸리움 요오드，구아니딘 티오시아네이트，요오드 및 4급 부틸피리딘이 용해된 액체 전해질을 사용할 수 있다. 고분자 겔 전해질로는 폴리비닐라덴플로라이드-코-폴리헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidenefluoride-co-polyhexafluoropropylene), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile)，폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide) 및 폴리알킬아크릴레이트(polyalkylacrylate)로 이루어진 군 중에서 선택한 고분자를 이용하는 것이 바람직하며，상기 액체 전해질에 이들 중 하나 이상의 고분자를 액체전해질 중량을 기준으로 5 내지 20 중량부 함유시켜 제조하는 것도 가능하다.
이러한 분리막에 전해질이 함침되어, 광전극과 상대 전극 사이의 단락방지와 지지대 역할을 하는 것으로 견고함이 재고되어 파손을 방지할 수 있으며, 태양전지의 박막화에 기여한다.
첨부한 도 2는 지금까지 설명한 방법에 따라 제조된 나노볼이 코팅된 메쉬 광전극을 구비한 염료감응 태양전지의 일례를 나타내는 것으로 이하 도 2를 참조하여 본 발명의 염료감응 태양전지의 구조를 설명한다.
본 발명에 따르는 염료감응 태양전지는 크게 광전극(10), 상대 전극(20), 이들 두 전극 사이에 주입된 전해질(30) 및 전해질(30)이 함침된 분리막(40)을 포함하는 구성을 가진다. 또한, 광전극(10)과 상대 전극(20)의 외부를 보호하기 위한 각각의 투명커버인 가요성(flexible) PAN(polyacrylonitrile) 필름층(13,23)이 형성된다. 본 실시예에는 투명커버로 예를 들면, PAN필름을 사용하여 PAN필름층이라 명명하였지만, 가요성을 가지는 투명한 재질의 투명커버이면 모두 사용가능하다.
음극인 광전극(10)은 메쉬구조의 메쉬층(1l) 위에 본 발명에 따라 제조된 나노입자가 응축하여 형성된 메조기공의 금속산화물 나노볼(12a)이 적층된 나노볼층(12)이 형성되며, 나노볼층(12)에는 염료감응을 위해 염료(12b)가 흡착된다.
또한 양극인 상대전극(20)은 전도성 기판(21)과，이 기판(21) 위에 코팅된 백금층(22)을 구비한다. 예를 들면, 전도성 기판으로 금속와이어 메쉬 또는 탄소나노섬유 또는 폴리머웹 등에 전도성막인 구리를 코팅하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 백금층(22)은 탄소 입자，탄소나노섬유，탄소나노튜브，그래펜 단일층，그래펜 다중층，전도성 고분자，또는 이들의 혼합물로 이루어진 층이 사용될 수도 있다.
상기 두 전극(10. 20) 사이의 공간에는 전해질(30)을 함침한 분리막(40)이 채워진다.
이처럼, 금속산화물 나노볼이 코팅된 메쉬 광전극을 구비한 태양전지에서는 금속산화물 전구체 용액을 사용하지 않고 금속산화물을 직접 코팅하여 광전극을 제조하므로 별도의 증착공정이나 열처리 공정을 생략하여 공정을 단순화할 수 있고, 메쉬상에 금속산화물을 전기분사하므로 고가의 진공증착 장비 및 진공챔버를 사용하지 않아도 되므로 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한, 본 발명은 광전극 제조시 전기분사를 통한 금속 메쉬위에 금속산화물 나노볼을 코팅한 광전극과 대향전극 간에 분리막을 사용하여 별도의 스페이서가 필요 없어 태양전지의 박막화에 기여할 수 있다.
더욱이 본 발명은 가요성이 있는 PAN필름층을 커버로 사용하기 때문에 태양전지를 제조할 때 연속공정에 의해 롤형태로 제작이 가능하므로 대형화를 도모할 수 있다.
본 발명은 염료감응 태양전지의 광전극 제조에 사용된다.
10 : 광전극 20 : 상대전극
30 : 전해질 40 : 분리막
11 : 메쉬층 12 : 나노볼층
21: 전도성기판 22 : 백금층
13,23 : PAN필름층 12a : 나노볼
12b : 염료

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법에 있어서,
    금속산화물 나노입자를 용매에 균일하게 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계; 및
    금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹의 상부로 나노입자의 금속산화물이 응집되도록 상기 분산용액을 전기분사하여 다수의 나노볼 형태로 이루어진 금속산화물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 용매는 알코올 계열의 유기용매로 에탄올과 부탄올 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 금속 산화물 나노입자는 산화티타늄，산화아연，산화주석，산화니오륨，산화텅스텐，산화스트론튬，또는 산화지르코늄 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 금속산화물 나노입자는 직경이 l 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법.
  9. 금속산화물 나노입자를 용매에 균일하게 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계;
    금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹의 일면에 나노입자의 금속산화물이 응집되도록 상기 분산용액을 전기분사하여 다수의 나노볼 형태로 이루어진 금속산화물층을 형성하는 단계;
    상기 금속산화물층의 나노볼 외주에 염료를 흡착시켜 광전극을 준비하는 단계;
    상기 광전극과 상대전극 사이에 분리막을 삽입하여 조립하는 단계; 및
    상기 광전극과 상대전극의 외측에 각각 가요성 투명커버를 조립하여 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 용매는 알코올 계열의 유기용매로 에탄올과 부탄올 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 금속 산화물 나노입자는 산화티타늄，산화아연，산화주석，산화니오륨，산화텅스텐，산화스트론튬，또는 산화지르코늄 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 금속산화물 나노입자는 직경이 l 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 금속 와이어 메쉬 또는 탄소 나노 섬유 웹과 그 상부에 형성된 금속산화물층을 열압착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
  14. 삭제
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