KR101275878B1 - 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 니오븀산화물 구조체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염료감응 태양전지에서 핵심역할을 하는 전극용 산화물이 월등한 표면적을 확보할 수 있도록 한 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 니오븀금속의 양극산화 처리공정에 의한 니오븀산화물 구조체 제조방법에 있어서, 상기 양극산화 처리공정 시 사용하는 전해질은, 플루오린화나트륨(NaF)과 플루오린화수소(HF)을 혼합 조성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 니오븀금속의 양극산화 처리공정에 의한 니오븀산화물 구조체 제조방법에 있어서, 상기 양극산화 처리공정 시 사용하는 전해질은, 플루오린화나트륨(NaF)과 플루오린화수소(HF)을 혼합 조성한 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 니오븀산화물 구조체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염료감응 태양전지에서 핵심역할을 하는 전극용 산화물이 월등한 표면적을 확보할 수 있도록 한 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법에 관한 것이다.
태양광발전(太陽光發電, Solar photovoltaic) 기술은, 기존의 반도체·소재·전기전자·건축·공학·화학 등 각종 산업의 핵심부분과 직접적인 연관성은 물론 최근 주목받고 있는 디스플레이 분야와도 밀접한 분야로, 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.
한편, 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) 반도체산화물을 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.
도 1은 통상의 염료감응형 태양전지 구조를 나타낸 확대단면도로써, 통상의 염료감응형 태양전지의 기본구조는, 도 1에 도시된 바와 같이 샌드위치 구조를 이루는바, (-)투명전극(11)과 (+)투명전극(21)이 상,하면 각각에 코팅된 복수의 투명전도(TCO: Transparent Conductive Oxide)기판(1)(2), 상기 (-)투명전극(11) 하면에 접착되는 반도체산화물(Oxide)(3), 상기 반도체산화물(3) 표면에 코팅되는 염료(Dye)(4), 상기 (-),(+)투명전극(11)(21) 사이 공간을 채우고 있는 산화·환원용 전해질(Electrolyte)(5), 그리고 상기 전해질(5) 환원용 상대전극(Counter electrode)(6)으로 구성되어 있다.
이중, 산화물(3)과 염료(4) 및 전해질(5)은 에너지 변환의 효율성과 모듈의 안정성을 결정하는데 매우 중요한 역할을 하는 핵심소재이다.
즉, 상기 염료감응형 태양전지가 고효율을 발휘하기 위해서는, 전자와 염료 고분자 혹은 전자와 전해질(4) 내 전자인수종(electron-accepting species) 사이에 발생되는 재결합에 기인한 에너지 손실이 적어야 하며, 전자 이동속도가 빠르면 빠를수록 유리하다.
때문에, 상기 산화물(3)의 표면적(表面的, Surface area) 확보가 필수 불가결한바, 현재까지의 반도체산화물의 구조체는 상기 염료(4) 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 변환효율로 인해 상업화가가 제대로 이루어지지 못하는 실정에 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 니오븀금속의 양극산화(陽極酸化, Anodizing) 처리공정을 통해, 니오븀산화물의 그 표면에 3차원 고깔모양의 마이크로구조체를 생성하는 동시에 상기 마이크로구조체 표면에 수많은 나노와이어가 형성됨에 따라 월등한 표면적이 확보될 수 있도록 하는 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 니오븀금속의 양극산화 처리공정에 의한 니오븀산화물 구조체 제조방법에 있어서, 상기 양극산화 처리공정 시 사용하는 전해질은, 플루오린화나트륨(NaF)과 플루오린화수소(HF)을 혼합 조성한 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 태양전지의 에너지 변환효율을 극대화할 수 있는 효과를 나타낸다.
또한, 상술한 양극산화법에 의한 산화물 제조과정의 편의성 증대와 함께 그에 따른 제조비용 및 판매단가를 획기적으로 낮출 수 있는 등 가격경쟁력을 확보함과 더불어 태양광발전 기술의 향상에 크게 기여할 수 있는 아주 유용한 발명이다.
도 1은 통상의 염료감응형 태양전지 구조를 나타낸 확대단면도.
도 2는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법을 단계적으로 나타낸 블럭도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:2000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 5는 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:5000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 6은 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:100000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 7은 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체를 적용한 태양전지의 에너지 변환효율 측정관계를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법을 단계적으로 나타낸 블럭도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:2000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 5는 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:5000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 6은 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:100000의 비율로 확대한 요부촬상도.
도 7은 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체를 적용한 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 2는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법을 단계적으로 나타낸 블럭도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:2000의 비율로 확대한 요부촬상도이며, 도 5는 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:5000의 비율로 확대한 요부촬상도이고, 도 6은 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체의 표면을 1:100000의 비율로 확대한 요부촬상도이며, 도 7은 본 발명에 따른 니오븀산화물 구조체를 적용한 태양전지의 에너지 변환효율 측정관계를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법은, 통상의 니오븀(Nb2O5)산화물 구조체 제조방법에 있어서, 양극산화장치를 이용한 니오븀금속의 양극산화 처리공정 시 사용하는 전해질을 플루오린화나트륨(NaF)과 플루오린화수소(HF)을 혼합 조성한다.
여기서, 상기 니오븀금속의 양극산화 처리공정시 매우 다양한 형태의 구조체가 표면에 생성된 니오븀산화물으로 제조되는데, 이는 적절한 전해질 조성과 함께 처리온도 및 처리시간 그리고 전류의 인가전압 등과 같은 공정변수에 따라 제어할 수 있다.
계속해서, 상술한 양극산화 처리공정을 위하여, 상기 니오븀금속을 미리 정한 두께와 지름을 갖는 디스크(Disk)로 형성한다.
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 니오븀금속 디스크를 아세톤(C3H6O)에 침지(浸漬)시켜 약 20분간 초음파 세척하는 단계(S100)를 실시한다.
다음으로, 상기 니오븀금속 디스크를 탈이온수(De-ionized water)로써 정제하는 단계(S200)를 실시한다.
그 이후, 상기한 양극산화장치에 상기 니오븀금속 디스크를 고정장착함과 동시에 전해질에 침수시킨 상태에서, 2전극 시스템(Two electrode system)에 의한 양극산화 처리공정의 단계(300)를 실시한다. 이때, 백금 메쉬(Pt mesh)를 전해질에 침지시켜 상대전극으로 이용함이 바람직하다.
여기서, 전술한 바와 같이, 상기의 백금 메쉬를 전해질에 침지시켜 상대전극으로의 이용하는 목적은, 전해질 내에서의 전자분포를 원활히 이루기 위함이다.
참고로, 니오븀(Nb2O5)은 그 비중과 경도가 동(Cu)과 유사하나, 부식에 강하며 변형이 쉽고 융점이 높다. 이와 더불어, 내열성과 열전도성·내식성이 양호한 특징이 있으며 산화 피막이 안정하다.
지금까지 상술한 니오븀산화물의 제조공정에 따르면, 도 3 내지 도 5에서와 같이, 전자현미경으로 확대하여 관찰한 미세조직에서 볼 수 있듯이, 상기 니오븀산화물의 구조체는 마이크로미터(nm) 크기의 3차원 고깔모양을 갖추게 된다.
또한, 이러한 3차원 고깔모양의 구조체들은, 마치 실타래가 얽혀있는 듯한 구조임에 따라 상기 니오븀산화물의 표면적이 월등한 것이며, 이로써 상기 투명전도기판(도 1, 1)을 통과하는 가시광선(태양광)의 흡착범위가 확대되는 효과를 가져다준다.
뿐만 아니라, 상기한 3차원 고깔모양의 구조체 표면에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 나노미터(μm) 크기로 된 무수히 많은 수의 나노와이어(nanowires)가 형성됨에 따라, 니오븀산화물의 표면적을 더욱더 극대화시킨다.
한편, 상기 전해질(4)의 조성비는, 플루오린화나트륨(NaF) 0.5M 이상 2M 이하로 하고 플루오린화수소(HF) 0ml 초과 2ml 이하로 하여 혼합함이 바람직하되, 상기한 산화반응 처리공정 단계(S300)의 그 상황에 따라 다양한 조성비로 혼합할 수도 있다.
그리고, 상기의 양극산화 처리공정 단계(S300)에 의한 니오븀금속 디스크의 양극산화 반응을 검사함에 있어, 20V 이상 60V 이하의 전압인가 조건에서 약 10분에서 5시간까지 실시함이 바람직하다.
상술한 바에 따른 본 발명의 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체의 작용을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 니오븀산화물을 적용한 태양전지는, 앞서 설명한 기존의 태양전지와 동일 구조이다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 투명전도기판(1)(2), 반도체산화물(3), 염료(4), 전해질(5), 상대전극(6)이 샌드위치 구조로 적층되되, 상기한 반도체산화물(3)은 본 발명에 의해 제조된 니오븀산화물(이하 "반도체산화물"이라 함)로 대체 적용된다.
이렇게, 본 발명의 제조방법에 따른 니오븀산화물을 적용한 태양전지의 작용관계는, 최초 가시광선이 상기 태양전지에 입사되면 상기 투명전도기판(1)을 투과한 광양자가 상기 염료(4) 고분자에 의해 흡수된다.
여기서, 본 발명에 따른 상기 반도체산화물(3) 그 표면에 생성된 3차원 고깔모양의 마이크로구조체 및 상기 마이크로구조체 표면에 형성된 무수한 수의 나노와이어로 인해 상기한 반도체산화물(3)의 표면적이 월등하게 됨에 따라, 투과되는 태양광 에너지의 다량 흡착이 가능함은 물론 전기에너지로의 변환효율이 극대화될 수 있다.
계속해서, 상기 염료(4)는 태양광 흡수에 의해 여기(勵起) 상태가 되면서 전자를 생성하고, 이렇게 생성된 전자는 상기 반도체산화물(3)의 전도대로 이송되어 상기 투명전도기판(1)(2) 각각의 상기 (-)(+)투명전극(11)(21)을 통해 외부 회로로 흘러들어가 전기에너지를 전달하게 된다.
마지막으로, 태양광 흡수에 의해 산화된 상기 염료(4)는, 상기 전해질(5)로부터 전자를 공급받아 원래 상태로 환원된다. 이때 사용되는 전해질은 주로 I-/I3/-의 산화/환원 쌍으로써, 상기 상대전극(6)으로부터 전자를 받아 상기한 염료(4)에 전달하는 역할을 담당하게 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 7에 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.
1, 2 : 투명전도기판, 3 : 반도체산화물, 4 : 염료
5 : 전해질, 6 : 상대전극, 11 : (-)투명전극
21 : (+)투명전극
5 : 전해질, 6 : 상대전극, 11 : (-)투명전극
21 : (+)투명전극
Claims (6)
- 염료감응형 태양전지에 적용 가능하도록 표면에 마이크로미터(㎛) 크기의 3차원 고깔모양을 갖는 구조체를 가지고, 상기 구조체의 표면에는 나노미터(nm) 크기로 된 무수한 수의 나노와이어가 형성되도록 니오븀산화물 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
니오븀을 아세톤 침지시켜 초음파로 세척하는 단계;
상기 세척된 니오븀을 탈이온수로 정제하는 단계; 및
상기 정제된 니오븀을 전해질을 이용하여 양극산화 처리공정을 수행하는 단계-상기 전해질은 플루오린화나트륨(NaF) 0.5M 이상 2M 이하, 플루오린화수소(HF) 0ml 초과 2ml 이하의 조성비로 플루오린화나트륨(NaF)과 플루오린화수소(HF)을 혼합 조성한 것임-;를 포함하는 니오븀산화물 구조체 제조방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 양극산화 처리공정은,
20V 이상 60V 이하의 전압인가 조건에서 10분 내지 5시간 동안 실시함을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 양극산화 처리공정 시,
상기 전해질에 백금 메쉬(Pt mesh)를 침지시켜 상대전극으로 이용함을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법.
- 삭제
- 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020110045862A KR101275878B1 (ko) | 2011-05-16 | 2011-05-16 | 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020110045862A KR101275878B1 (ko) | 2011-05-16 | 2011-05-16 | 염료감응형 태양전지에 적용 가능한 니오븀산화물 구조체 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| CN103288134B (zh) * | 2013-05-14 | 2014-11-05 | 西南交通大学 | 一种纺锤体氧化铌的制备方法 |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2009507995A (ja) * | 2005-07-28 | 2009-02-26 | インディアナ・ユニバーシティ・リサーチ・アンド・テクノロジー・コーポレーション | 酸化ニオブの組成物、ナノ構造体、生物活性形態およびその使用 |
| JP2009130018A (ja) | 2007-11-21 | 2009-06-11 | Sanyo Electric Co Ltd | 固体電解コンデンサ |
| KR20100053374A (ko) * | 2008-11-12 | 2010-05-20 | 한국전기연구원 | 관상의 나노다공질 산화물 세라믹 막과 이를 이용한 막 필터 |
-
2011
- 2011-05-16 KR KR1020110045862A patent/KR101275878B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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| "니오븀 산화물 나노구조체 제조", 임재훈, 한양대학교 석사학위논문, 2008. * |
| "니오븀 산화물 나노구조체 제조", 임재훈, 한양대학교 석사학위논문, 2008.* |
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| KR20120128005A (ko) | 2012-11-26 |
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