KR101270808B1 - 메쉬 전극 내장형 전자소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명전극을 사용하는 태양전지, OLED 등의 전자소자에 있어서, 투명전극 대신 메쉬 전극을 사용하여 상기 전자소자를 제작하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, ITO 와 같은 투명전극 대신 Ti 메쉬에 금속산화물 나노 튜브를 형성하고 이에 염료를 흡착시킨 포토애노드와 Ti 메쉬에 Pt를 코팅한 캐소드를 사방이 투명한 투명 하우징 안에 내장하고, 투명 하우징 안에 전해질을 주입하고 실링하여 3차원 적으로 빛이 입사할 수 있는 고효율의 염료감응형 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 메쉬 전극은 OLED 등에도 투명전극 대신 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, ITO 와 같은 투명전극 대신 Ti 메쉬에 금속산화물 나노 튜브를 형성하고 이에 염료를 흡착시킨 포토애노드와 Ti 메쉬에 Pt를 코팅한 캐소드를 사방이 투명한 투명 하우징 안에 내장하고, 투명 하우징 안에 전해질을 주입하고 실링하여 3차원 적으로 빛이 입사할 수 있는 고효율의 염료감응형 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 메쉬 전극은 OLED 등에도 투명전극 대신 적용할 수 있다.
Description
본 발명은 투명전극을 사용하는 태양전지, OLED 등의 전자소자에 있어서, 투명전극 대신 메쉬 전극을 사용하여 상기 전자소자를 제작하는 기술에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 메쉬 전극을 내장형으로 구성하여 고효율 및 고투광도를 갖는 염료감응형 태양전지 등의 전자소자 제작 기술에 관한 것이다.
ITO, ZnO 등으로 만든 투명전극은 태양전지, OLED, 터치스크린 등에 널리 사용되고 있다. 이러한 투명전극은 대개 스퍼터 등을 이용하여 제작되며, 이는 제작에 상당한 비용을 요한다.
특히, 투명전극을 사용하는 전자소자로서 태양전지는 친환경 신 재생 에너지 활용 수단으로서 점점 더 주목받고 있으며, 특히 전력생산단가를 낮추는 데 주력하고 있다. 이러한 점에서 염료감응형 태양전지는 저렴한 비용으로 제작할 수 있고, 제작이 용이하며, 무엇보다 자유자재로 구부릴 수 있는 유연성(flexibility)이 있어 실용화하기 위한 연구가 활발하며, 다만 광전변환효율의 향상이 관건으로 되고 있다.
염료감응형 태양전지의 구조와 동작원리는 도 1과 같다. 즉, 애노드 기능의 전도성 투명 기판과 Pt 등을 코팅한 불투명 금속 기판(캐소드 기능) 사이에 염료가 코팅된 TiO2 나노구조물과 전해질을 채워, 투명 기판 쪽으로 입사한 태양광이 염료와 반응하여 전자ㆍ정공 쌍이 생성되면 각각 애노드와 캐소드를 통해 이동하여 전원 역할을 하게 된다.
이와 같이 TiO2 나노구조물을 이용한 염료감응형 태양전지의 광전변환효율은 1.9 % 정도로 매우 낮아 문제된다. 이는 구조적으로 캐소드 기판은 불투명한 금속 기판으로 구성하기 때문에 태양광은 투명 전극이 있는 애노드 만을 통해 입사하기 때문에 염료에 입사하는 광량 자체가 충분하지 않다는 점 또한 주된 문제점으로 볼 수 있다(도 2 참조).
따라서 본 발명의 목적은 빛을 어느 한 면이 아닌 모든 면을 통해 입사하게 하는 3 차원 입체 투광 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 고비용의 투명 전극 제작 없이도 투명성을 갖는 메쉬 전극을 내장형으로 구비한 태양전지를 제공하여 제작비를 낮추어 전력당 생산단가를 낮추고자 하는 데 있다.
본 발명은, 투명소재로 되고 유연성을 갖는 하우징 내부에 메쉬 캐소드와 메쉬 애노드를 샌드위치 하여 전해질 안에 내장하고, 상기 메쉬 애노드는 Ti 메쉬 자체에 금속산화물 나노구조체를 성장시키고 광전변환 염료를 흡착시켜 광전변환 염료가 흡착된 금속산화물 나노구조체가 Ti 메쉬 상에 일체로 형성되어 있는 것으로 구성하는 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 캐소드/전자주입층/전자수송층/활성층/정공수송층/정공주입층/애노드/투명 기판으로 구성되는 전자소자에 있어서, 상기 애노드는 메쉬 애노드이고, 상기 메쉬 애노드는 Ti 메쉬 자체에 금속산화물 나노구조체를 성장시켜 금속산화물 나노구조체가 Ti 메쉬 상에 일체로 형성된 것으로 구성하는 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 메쉬 전극 내장형 전자소자에 있어서, 상기 메쉬 캐소드는 Ti 메쉬에 Pt 코팅을 한 것으로 구성하고, 상기 메쉬 캐소드와 메쉬 애노드는 유연성을 구비하고, 메쉬 개구율이 50 % 이상인 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 메쉬 전극 내장형 전자소자에 있어서,
상기 Ti 메쉬에 성장시킨 나노구조체는 TiO2 또는 ZnO로 된 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 스피어, 나노 파티클 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 메쉬 전극 내장형 전자소자에 있어서,
상기 나노구조체는 상기 Ti 메쉬의 상하전후좌우 방향으로 성장된 것임을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 메쉬 전극 내장형 전자소자에 있어서,
상기 광전변환 염료는, 상기 나노 구조체 표면에 코팅된 것임을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, Ti 메쉬를 애노다이징하여 Ti 메쉬 자체에 금속산화물 나노구조체를 형성하고, 상기 나노구조체가 형성된 Ti 메쉬의 나노구조체 부분에 광전변환 염료를 흡착하여 포토애노드를 만들고;
Ti 메쉬에 Pt를 코팅하여 캐소드를 만들고;
상기 포토애노드와 캐소드를 투명 하우징 안에 내장하되, 접속부를 투명 하우징 외부에 노출시키고;
상기 투명 하우징 안에 내장된 상기 포토애노드와 캐소드 사이에 전해질을 주입하고;
상기 투명 하우징을 실링하는 것;을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 모든 방향으로 빛이 투과할 수 있는 투명한 전자소자를 용이하게 구성할 수 있어, 태양전지의 경우 광전변환 효율을 매우 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, TCO 형성 공정이 필요없이 메쉬 전극을 투명 하우징 안에 내장시킬 수 있어, 태양전지와 같은 전자소자 제작의 용이성 및 제작비용의 획기적 감소를 도모할 수 있다.
도 1은 염료감응형 태양전지의 구조와 동작원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 종래 염료감응형 태양전지의 구조에 따른 저효율을 설명하는 모식도 및 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 메쉬 전극의 유연성과 투명도를 보여주는 실물 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 메쉬 전극 중 포토애노드의 구성을 나타내는 모식적인 평면도(상)와 단면도들(하)이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬 전극을 내장한 염료감응형 태양전지의 단면구성도이다.
도 6은 본 발명의 포토애노드 형성에 있어서 Ti 메쉬 상에 성장시키는 TiO2 나노튜브의 성장시간에 따른 길이를 보여주는 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 포토애노드의 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬 전극을 내장한 염료감응형 태양전지의 효율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 종래 염료감응형 태양전지의 구조에 따른 저효율을 설명하는 모식도 및 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 메쉬 전극의 유연성과 투명도를 보여주는 실물 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 메쉬 전극 중 포토애노드의 구성을 나타내는 모식적인 평면도(상)와 단면도들(하)이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬 전극을 내장한 염료감응형 태양전지의 단면구성도이다.
도 6은 본 발명의 포토애노드 형성에 있어서 Ti 메쉬 상에 성장시키는 TiO2 나노튜브의 성장시간에 따른 길이를 보여주는 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 포토애노드의 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬 전극을 내장한 염료감응형 태양전지의 효율을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
전극으로 사용할 메쉬는 99.5 % 이상의 순도를 갖는 Ti으로 되고, 메쉬를 구성하는 와이어의 직경이 0.1 mm 내외이고, 특히 메쉬의 개구율이 50 % 이상인 것을 선택하는 것이 바람직하며, 본 실시예의 경우, 개구율 64 %이고 직경 0.102 mm 인것을 구입하여 사용하였다. 상기 메쉬는 1.5 cm×2.5 cm 크기로 잘라 아세톤(acetone)으로 세정하여 기름기를 제거하고, 순수(DI water)로 세정하고 메탄올(methanol)로 세정한 다음, 질소 분위기에서 건조하고, 고진공(1 mtorr 이상의 진공도) 속에서 500 ℃ 내외의 온도로 1 시간 정도 어닐링(annealing)하여 오염을 깨끗이 제거한다.
상기와 같이 만든 메쉬는 도 3에서 보듯이 유연하게 구부러지고(a, b 참조), 충분히 투명하여 메쉬 전극 아래 글자를 그대로 보여준다(c 참조). 따라서 이러한 메쉬는 충분한 양의 빛을 입사 및 투과하게 할 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이 준비한 메쉬에 TiO2 나노 튜브를 성장시켜 반응성이 크게 향상된 메쉬 전극을 만든다. 이를 만드는 과정은 다음과 같이 애노다이징(Anodization)을 이용한다.
상기 메쉬를 Cu 기판에 나사 등의 고정부재로 고정하여 애노다이징의 애노드로 하고, 그라파이트(graphite) 기판을 애노다이징의 캐소드로 사용한다. 상기 전극들은 0.3 wt% NH4F(98 % 순도, Sigma-Aldrich)와 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) (99.8 % 순도, Sigma-Aldrich)에 2 wt % 물을 포함한 용액에 침지하고, 60 V 내외의 일정 전압 및 5 ℃ 정도에서 4 내지 8 시간의 성장시간으로 애노다이징(Anodization)을 실시한다.
다음, 상기 메쉬 전극 시료를 1 분간 초음파 처리하고 대기 중에서 500 ℃로 1 시간 정도 어닐링 한다.
이와 같이 하여, Ti 메쉬 상에 TiO2 나노튜브가 성장된 메쉬 전극을 제작할 수 있다. 상기 메쉬 전극의 구조는 도 4에 평면도(상)와 단면도들(하)로 모식적으로 나타내었다. Ti 메쉬 상에 상하전후좌우, 즉, 전방위로 길게 성장한 TiO2 나노튜브는 빛이 어느 방향으로 입사하든 광전변환 반응을 일으킬 수 있고, 비표면적을 극대화하여 광전변환효율을 크게 향상시킬 수 있다.
TiO2 나노튜브 외에 ZnO로 된 나노 튜브, TiO2 또는 ZnO로 된 나노 와이어, 나노 스피어, 나노 파티클 등을 Ti 메쉬 상에 형성시킬 수도 있으며, 이는 상황에 따라 선택할 수 있다.
다음으로, TiO2 나노튜브가 형성된 Ti 메쉬에 염료를 흡착시켜 포토애노드를 만든다.
즉, 먼저, TiO2 나노튜브가 형성된 Ti 메쉬 전극은 TiO2 나노튜브에 염료를 흡착시키기 전에, 70 ℃, 0.1 M의 TiCl4 수용액으로 3 시간 정도 처리하고, 500 ℃ 근방에서 1 시간 정도 하소(calcine) 한다.
다음 약 90 ℃ 정도로 냉각하며, 상기와 같이 처리된 TiO2 나노튜브는 0.0005 M 의 시스-비스(이소티오시아나토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실라토)-루테늄(Ⅱ)비스테트라부틸암모늄(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II) bistetrabutylammonium )(N719) (Solaronix S. A.) 에탄올 용액인 염료 용액에 하룻밤 동안 침지하여 염료를 흡착시키고, 다음 에탄올로 린스하여(rinsed) 비화학흡착( non-chemisorbed dye) 염료를 제거한다.
이와 같이 하여, 염료감응형 태양전지에 사용할 포토애노드를 제작할 수 있다.
다음, 염료감응형 태양전지에 내장형으로 들어갈 한 쌍의 애노드와 캐소드 전극은 다음과 같이 만든다.
상기의 포토애노드(photoanode)는 태양전지의 애노드 전극이 되고, 캐소드 전극은 상술한 방법으로 오염을 제거한 Ti 메쉬에 e-빔 증착기(e-beam evaporation)로 Pt층을 코팅하여 제작한다.
상기의 포토애노드와 캐소드를 내장한 염료감응형 태양전지를 도 5와 같이 조립한다.
즉, 상기의 감광성 포토애노드와 상기 캐소드는 60 μm의 고온 용융 폴리프로필렌 스페이서(hot-melt polypropylene spacer)를 사용하여 함께 샌드위치 된다. 다음 전극 전체를 두 개의 투명 유연성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate (PET)) 필름 사이에 내장되고 실링(sealing) 한다.
전해질 주입을 위해 상기 PET 필름에 주입공을 형성하고,
0.6M BMII (1-butyl-3-methylimidazolium Iodide), 0.03M I2 (Iodine), 0.5M TBP (4-tert-butylpyridine)와 0.1M GuSCN (Guanidinium thiocyanate)을 아세토니트릴(acetonitrile)과 발레로니트릴(valeronitrile)을 85:15의 부피비로 혼합한 혼합물에 포함시켜 만든 전해질을 상기 주입공을 통해 전극 사이 공간에 주사기 등으로 주입하고 주입공은 고온 용융 필름(hot-melted film)으로 밀폐한다.
포토애노드로 된 애노드와 캐소드의 접속부는 PET 필름 에지(edge) 밖으로 연장된 애노다이징 되지않은 포토애노드 부분과 캐소드의 Pt가 코팅된 Ti 메쉬 부분에 형성된다. 상기 접속부를 PET 필름 에지(edge) 밖으로 연장하여도 상기 스페이서의 실링에 의해 태양전지의 내부는 충분히 밀폐될 수 있다.
상기 실시예는 메쉬로 만든 애노드와 캐소드를 내장하는 투명 하우징을 PET 필름 두 장과 스페이서로 구성하였으나 이에 한하지 않고 육면체 하우징 등의 형태적 변형과 소재에 있어서 여타의 폴리재질, 예를 들면, PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PVA(Polyvinyl alcohol), PI(Polyimide), PEN(polyethylene Naphthalate), 유리 등으로의 변형이 가능함은 물론이다. 태양전지 전체의 유연성을 위하여 투명 하우징 역시 유연성이 있는 것으로 구성함이 바람직하다.
이와 같이 하여 본 발명의 메쉬 전극 내장형 태양전지가 완성될 수 있다.
본 발명의 메쉬 전극 내장형 태양전지는 염료감응형 태양전지로 하우징 전체가 투명하여 사방에서 태양광이 입사되고, 투명 하우징에 내장된 애노드와 캐소드 모두 메쉬 형태로 역시 빛을 잘 투과시킬 수 있으며, 종래 제품에 비해 태양광의 입사량이 월등히 많고, 애노드는 TiO2 나노 튜브를 지닌 포토애노드로 표면적이 커 광전변환효율이 높을 뿐만 아니라 유연성이 있어 응용성이 좋다.
본 실시예의 포토애노드에 대한 SEM 사진을 도 6과 도 7에 도시하였다. 도 6은 성장시간(4, 6 및 8 시간)에 따라 길이가 길게 자란 TiO2 나노 튜브의 SEM 사진이고, 도 7은 포토애노드의 평면(a), 단면(b) 및 Ti 메쉬 상에 성장한 TiO2 나노 튜브의 평면 SEM 사진으로 도 7의 (C)는 TiO2 나노 튜브의 직경에 대한 정보를 제공하고 있다.
본 실시예에 따라 제작된 염료감응형 태양전지의 특성에 대한 그래프가 도 8에 나와 있으며, TiO2 나노 튜브의 길이에 따른 효율(η) 등의 특성을 도시한다.
종래 1.9 % 정도였던 염료감응형 태양전지에 비해 본 실시예에 따라 메쉬 전극을 내장형으로 한 염료감응형 태양전지는 TiO2의 길이를 11.5 μm로 한 경우 5.24 %로 크게 향상되었음을 알 수 있었다.
상기 실시예는 메쉬 전극을 이용한 염료감응형 태양전지에 대한 것이나, 이외에 OLED 등의 전자소자에도 적용될 수 있다. 즉, 메쉬로 만든 애노드를 종래의 ITO 투명전극 대신 사용하여 이를 투명 기판에 내장시켜 구성할 수 있다.
즉, 캐소드/전자주입층/전자수송층/활성층/정공수송층/정공주입층/애노드/투명 기판으로 구성되는 전자소자의 애노드를 메쉬 애노드로 하여 내장시키는 것으로, OLED와 유기박막태양전지에 모두 적용할 수 있다. 이 경우, 투명기판에 캐소드부터 형성하며, 메쉬 애노드는 TiO2 또는 ZnO 등의 나노구조체를 일 방향으로 성장시킨 것을 사용할 수 있고, 투명 기판은 유연성의 고온 용융 필름(hot-melted film)으로 마감할 수 있다.
그외 투명전극이 필요한 경우 본 발명의 메쉬 전극으로 대체할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도면부호 없음
Claims (8)
- 투명소재로 되고 유연성을 갖는 하우징 내부에 메쉬 캐소드와 메쉬 애노드를 샌드위치 하여 전해질 안에 내장하고, 상기 메쉬 애노드는 Ti 메쉬 자체에 금속산화물 나노구조체를 성장시키고 광전변환 염료를 흡착시켜 광전변환 염료가 흡착된 금속산화물 나노구조체가 Ti 메쉬 상에 일체로 형성되어 있는 것으로 구성하는 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자.
- 캐소드/전자주입층/전자수송층/활성층/정공수송층/정공주입층/애노드/투명 기판으로 구성되는 전자소자에 있어서, 상기 애노드는 메쉬 애노드이고, 상기 메쉬 애노드는 Ti 메쉬 자체에 금속산화물 나노구조체를 성장시켜 금속산화물 나노구조체가 Ti 메쉬 상에 일체로 형성된 것으로 구성하는 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자.
- 제1항에 있어서, 상기 메쉬 캐소드는 Ti 메쉬에 Pt를 코팅하여 구성하고, 상기 메쉬 캐소드와 메쉬 애노드는 유연성을 구비하고, 메쉬 개구율이 50 % 이상인 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자.
- 제2항에 있어서, 상기 메쉬 애노드는 유연성을 구비하고, 메쉬 개구율이 50 % 이상인 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Ti 메쉬 자체에 성장시킨 나노구조체는 TiO2 또는 ZnO로 된 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 스피어, 나노 파티클 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나노구조체는 상기 Ti 메쉬의 상하전후좌우 방향으로 성장된 것임을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자.
- 제1항에 있어서, 상기 광전변환 염료는, 상기 나노 구조체 표면에 코팅된 것임을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자.
- Ti 메쉬를 애노다이징하여 Ti 메쉬 자체에 금속산화물 나노구조체를 형성하고, 상기 나노구조체가 형성된 Ti 메쉬의 나노구조체 부분에 광전변환 염료를 흡착하여 포토애노드를 만들고;
Ti 메쉬에 Pt를 코팅하여 캐소드를 만들고;
상기 포토애노드와 캐소드를 투명 하우징 안에 내장하되, 접속부를 투명 하우징 외부에 노출시키고;
상기 투명 하우징 안에 내장된 상기 포토애노드와 캐소드 사이에 전해질을 주입하고;
상기 투명 하우징을 실링하는 것;을 특징으로 하는 메쉬 전극 내장형 전자소자의 제조방법.
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