KR101323603B1 - 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지 - Google Patents

저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101323603B1
KR101323603B1 KR1020110137400A KR20110137400A KR101323603B1 KR 101323603 B1 KR101323603 B1 KR 101323603B1 KR 1020110137400 A KR1020110137400 A KR 1020110137400A KR 20110137400 A KR20110137400 A KR 20110137400A KR 101323603 B1 KR101323603 B1 KR 101323603B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tio
dye
layer
sensitized solar
hydropolymer
Prior art date
Application number
KR1020110137400A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130070192A (ko
Inventor
김성진
Original Assignee
주식회사 상보
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 상보 filed Critical 주식회사 상보
Priority to KR1020110137400A priority Critical patent/KR101323603B1/ko
Publication of KR20130070192A publication Critical patent/KR20130070192A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101323603B1 publication Critical patent/KR101323603B1/ko

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건물일체형 창에 필름형태로 적용될 수 있게 저온 이산화티타니아(이하, "TiO2" 라 총칭함) 공정을 적용하기 위해 TiO2 나노입자를 사용하였으며, 고분자 폴리머인 하이드로폴리머를 이용하여 TiO2의 접착력을 향상시켰으며, 푸른색 유기염료인 SQ2("SOLARONIX"사 제품)을 이용하여 제조된 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감지형 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지는, 유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판(104)과, 상기 투명기판(104)의 내측표면에 형성된 SnO2 재질의 도전성 투명전극 코팅층(105) 및 상기 도전성 투명전극 코팅층(105)의 표면에 형성된 광흡수층(106)으로 구성되는 일전극(103)과; 유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판(107)과, 상기 투명기판(107)의 내측표면에 형성된 투명전도성막(108)과, 상기 투명전도성막(108)의 표면에 형성된 Pt 또는 탄소 필름(109)으로 구성된 상대전극(101); 및 상기 일전극(103)과 상기 상대전극(101) 간에 전해질(110)을 충진한 전해질층(102);을 포함하며, 상기 광흡수층(106)은 도전성 투명전극 코팅층(105)의 표면에 TiO2졸(sol)을코팅한 후 80℃~150℃의 온도로 저온 소성하여 TiO2 나노입자층을 형성하고, 상기 TiO2 나노입자층을 에탄올 용액과 푸른색 유기염료인 SQ2가 혼합된 염료용액에 침지하여 TiO2 나노입자층에 SQ2 염료를 흡착시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지는 제조공정이 단순하고, 저온소성 TiO2 나노입자를 사용하였으며, 하이드로폴리머를 이용하여 TiO2의 접착력을 향상시켰으며, 푸른색 유기염료인 SQ2를 이용함으로써 전극의 열화 가능성이 있는 염료감응형 태양전지의 신뢰도를 향상시킴과 동시에 다양한 기판에 전극을 형성시킬 수 있다.

Description

저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지{TiO2 NANO PARTICLE BASED DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS DEVICES FABRICATED UTILIZING HYDROPOLYMER AT LOW TEMPERATURE}
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온 이산화티타니아(이하, "TiO2" 라 총칭함) 공정을 적용하기 위해 TiO2 나노입자를 사용하였으며, 고분자 폴리머인 Hydropolymer(이하, "하이드로폴리머" 라 총칭함)를 이용하여 TiO2의 접착력을 향상시켰으며, 건물일체형 창에 필름형태로 적용될 수 있게 기존의 붉은색 계통의 N179 염료 대신에 푸른색 유기염료인 SQ2("SOLARONIX"사 제품)을 이용하여 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
이와 같은 태양전지를 물질별로 크게 구분하면 무기물 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell) 및 유기물 태양전지(organic solar cell)가 있다.
무기물 태양전지로서 단결정 실리콘이 주로 사용되고 있고, 이러한 단결정 실리콘계 태양전지는 박막형 태양전지로 제조될 수 있는 장점을 가지나, 많은 비용이 소요되고, 안정성이 낮은 문제점을 가지고 있다.
염료감응 태양전지는 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 염료감응 태양전지는 기존 실리콘을 기반으로 하는 태양 전지와 비교했을 때 빛과 열에 대한 장시간 노출에도 견딜 수 있으며, 저렴하고 용이하게 에너지를 생산할 수 있다.
지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로서 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다(미국등록특허 제4,927,721호 및 제5,350,644호). 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응 태양전지는 염료 분자가 입혀진 나노입자 TiO2로 이루어지는 반도체 전극과, 백금 또는 탄소가 코팅된 상대 전극과, 이들 전극 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 이 광전기화학적 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하여 주목받아 왔다. 이러한 그라첼이 개발한 염료감응 태양전지 기술은 값비싼 실리콘 태양 전지의 저렴한 대안으로 유망하다는 사실을 보여 주었다.
최근에는 휴대폰, 웨어러블 PC 등 차세대 PC 산업에 필요한 전원의 자가충전이나 옷, 모자, 자동차 유리, 건물 등에 부착해 활용할 수 있다는 점에서 플렉서블 반도체 전극을 사용하는 플렉서블 염료감응형 태양전지가 더욱 관심의 초점이 되고 있다.
그러나, 이러한 플렉서블 반도체 전극의 제작에 필요한 플렉서블 기판은 고온에서 쉽게 변형이 일어나기 때문에 이산화티탄층 등과 같은 산화물 반도체층을 형성하는 경우 고온의 증착 공정을 사용할 수 없으며 150℃ 이하의 저온에서 반도체 전극을 제작해야 하는 제한이 따른다.
이러한 플렉서블 반도체 전극을 제조하는 종래기술로는 저온 소성 페이스트를 플렉서블 기판에 인쇄하여 100℃ 미만에서 건조하거나 또는 불투명한 금속 박막(metal foil) 위에 반도체층을 형성하는 방법이 알려져 있으나, 이러한 방법으로 플라스틱에 적용한 플렉시블 염료감응태양전지는 내구성이 떨어지거나 막의 안정성이 떨어지는 문제점 등이 발생하며, 금속 박막의 경우는 건물일체형 창에 적용하지 못하는 점 등이 발생을 하여, 건물일체형 창에 맞는 색상과 저온에서 안정적으로 플렉서블 반도체 전극을 제조하기 위한 새로운 공정방법이 요구되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 저온 TiO2 공정을 적용하기 위해 TiO2 나노입자를 사용하였으며, 고분자 폴리머인 하이드로폴리머를 이용하여 TiO2의 접착력을 향상시켰으며, 푸른색 유기염료인 SQ2("SOLARONIX"사 제품)을 이용하여 제조함으로써, 태양전지의 광전효율과 막의 안정성이 향상되고 저온에서 안정적으로 작동하며, 건물일체형 창에 적용할 수 있는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지를 제공하고자 하는 것이다(본 발명에 있어서, 저온이란 80℃~150℃이다).
본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지는, 유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판과, 상기 투명기판의 내측표면에 형성된 SnO2 재질의 도전성 투명전극 코팅층 및 상기 도전성 투명전극 코팅층의 표면에 형성된 광흡수층으로 구성되는 일전극과; 유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판과, 상기 투명기판의 내측표면에 형성된 투명전도성막과, 상기 투명전도성막의 표면에 형성된 Pt 또는 탄소 필름으로 구성된 상대전극; 및 상기 일전극과 상기 상대전극 간에 전해질을 충진한 전해질층;을 포함하며, 상기 광흡수층은 도전성 투명전극 코팅층의 표면에 TiO2졸(sol)을코팅한 후 80℃~150℃의 온도로 저온 소성하여 TiO2 나노입자층을 형성하고, 상기 TiO2 나노입자층을 에탄올 용액과 푸른색 유기염료인 SQ2가 혼합된 염료용액에 침지하여 TiO2 나노입자층에 SQ2 염료를 흡착시킨 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지는 제조공정이 단순하고, 저온소성 TiO2 나노입자를 사용하였으며, 하이드로폴리머를 이용하여 TiO2의 접착력을 향상시켰으며, 푸른색 유기염료인 SQ2를 이용함으로써 전극의 열화 가능성이 있는 염료감응형 태양전지의 신뢰도를 향상시킴과 동시에 다양한 기판에 전극을 형성시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지의 작동 원리 도시도.
도 3은 TiO2 나노 분말층의 두께에 따른 유기 염료 특성의 변화 및 UV 측정 그래프.
도 4a는 TiO2 나노 분말층의 두께가 2겹(6㎛)일 때의 UV 투과율 XRD 그래프.
도 4b는 TiO2 나노 분말층의 두께가 3겹(8㎛)일 때의 UV 투과율 XRD 그래프.
도 5a는 TiO2 나노 분말층의 두께가 1겹(3㎛)일 때의 UV 투과율 측정 그래프.
도 5b은 TiO2 나노 분말층의 두께가 2겹(6㎛)일 때의 UV 투과율 측정 그래프.
도 5c는 TiO2 나노 분말층의 두께가 3겹(8㎛)일 때의 UV 투과율 측정 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지 셀 도시도.
이하, 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통하여 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지를 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 전체에 걸쳐 같은 참조번호는 같은 구성 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지의 단면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지의 작동 원리 도시도이며, 도 3은 TiO2 나노 분말층의 두께에 따른 유기 염료 특성의 변화 및 UV 측정 그래프이며, 도 4a는 TiO2 나노 분말층의 두께가 2겹(6㎛)일 때의 UV 투과율 XRD 그래프이며, 도 4b는 TiO2 나노 분말층의 두께가 3겹(8㎛)일 때의 UV 투과율 XRD 그래프이며, 도 5a는 TiO2 나노 분말층의 두께가 1겹(3㎛)일 때의 UV 투과율 측정 그래프이며, 도 5b은 TiO2 나노 분말층의 두께가 2겹(6㎛)일 때의 UV 투과율 측정 그래프이며, 도 5c는 TiO2 나노 분말층의 두께가 3겹(8㎛)일 때의 UV 투과율 측정 그래프이며, 도 6은 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지 셀 도시도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지는 상대전극(101), 전해질층(102) 및 일전극(또는 음극전극, 103)을 구비하는데, 보다 상세하게는 유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판(104)과, 상기 투명기판(104)의 내측표면에 형성된 SnO2 재질의 도전성 투명전극 코팅층(105)과, 상기 도전성 투명전극 코팅층(105)의 표면에는 푸른색 유기염료인 SQ2가 흡착된 후술할 본 발명에 따른 저온소성 TiO2 나노입자층의 광흡수층(106)으로 구성된 일전극(103)과; 유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판(107)과, 상기 투명기판(107)의 내측표면에 형성된 투명전도성막(108)과, 상기 투명전도성막(108)의 표면에 형성된 Pt 또는 탄소 필름(109)로 구성된 상대전극(101) 및; 상기 일전극(103)과 상기 상대전극(101) 간에 충진된 전해질(110)로 구성된다.
이러한 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지의 작동원리가 도 2에 도시되었다.
이하, 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지를 제조하는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다,
[실시 예]
TiO2 졸(sol) 제조와 저온 TiO2 나노분말층의 형성 및 소성
TiO2졸(sol)을 만들기 위해, 3~5g의 TiO2에 하이드로폴리머인 Poly Ethylene Oxide 0.5~1g과 Poly Ethylene Glycol 0.5~1g을 혼합한 혼합물과, 15~20 ml의 DI water와 1~5 ml의 아세틸 아세톤(Acetyl acetone)을 혼합한 용액을 혼합하고, 이를 1시간 동안 볼 밀(Ball Mill)로 혼합하여 TiO2졸(sol)을 제조한 후, 닥터 블레이딩(Doctor-blading)법으로 TiO2졸(sol)을 도전성 투명전극 코팅층(105)의 상면에 코팅하고 80℃~150℃로 맞춰진 오븐에서 5~20분 동안 가열한 후 상온에서 냉각시켜, 저온 TiO2 나노입자층을 형성 및 소성시킨다.
염료의 흡착
저온 TiO2 나노입자층의 형성 및 소성 후, 100 ml의 에탄올(Ethanol) 용액에 푸른색 유기염료인 SQ2를 0.03~0.1g 혼합하여 염료 용액을 만들었다. 만들어진 염료 용액에 TiO2 나노입자층이 코팅된 시료를 24시간 동안 담가(침지)놓아 염료를 흡착시킨 후, 시료를 에탄올로 세정하고 질소건으로 건조시킨다.
상대전극 제조 및 열처리
상대전극으로 쓰일 투명전도성 FTO를 기판에 증착하고, 그 위에 5mol의 pt를 스핀코팅하여 10㎚ 두께로 증착시키고, 400℃~500℃에서 열처리한 후, 면저항이 20Ω 이내의 것만 선별한다.
염료감응형 태양전지 제조
TiO2 층이 덮힌 FTO 면과 pt가 증착된 FTO 면을 마주보게 하여 융착시트(melting sheet)를 통하여 130℃에서 20분 가량 오븐에서 열을 가하여 접착시킨다. 이후, 구멍이 뚫어져 있는 접착된 셀에 완전히 접착 후, 두 기판 사이에 3-methoxypropionitrile(Aldrich)을 용매로 하여 0.5M LiI(Aldrich), 0.05 M I2(Aldrich), 0.5M 4-t-butylpyridine(Aldrich), 0.3M 1,2-dimethyl-3-propylimidazolimiodide(Solaronix)와 같은 조성으로 요오드 이온을 함유하는 전해질(Iodide based electrolyte AN-50)을 주입한 다음, 주입 부위를 에폭시로 막아 전해액이 누수가 발생하지 않도록 하여 염료감응형 태양전지를 제조한다.
이렇게 제조된 염료감응형 태양전지의 전극 면에 실버-페이스트(silver-paste)를 바른 후, 솔라 시뮬레이션 시스템(solar simulation system)을 이용하여 측정된 데이터로부터 제작된 셀의 효율을 평가하였다. 측정된 두께에 대한 데이터는 A-STEP을 이용하여 5회 측정을 한 뒤, 평균값을 구하여 값을 나타내었고, 동시에 TiO2 나노분말층의 결정구조는 XRD을 이용하여 측정하였다.
여기서, 일전극 및 상대전극용 기판은 도전성이 없는 유리기판, 투명전도막이 코팅되어 있는 FTO 또는 ITO 와 같은 전도성 기판, 전도성 플라스틱, 알루미나기판, 마그네시아 등과 같은 세라믹기판을 포함하는 절연성 기판 등의 모든 기판을 사용할 수 있다.
이하, 표 1은 TiO2 박막의 두께(TiO2 나노입자층)에 따른 염료감응형 태양전지의 효율변화를 나타낸 것이다.
TiO2 박막의 두께에 따른 염료감응형 태양전지의 효율변화
TiO2 막의두께
(㎛)		 Jsc
(mA/㎠)		 Voc
(V)		 충전율
(%)		 효율
(ŋ%)
1겹(3㎛) 2.70 0.433 44.2 0.52
2겹(6㎛) 7.04 0.510 40.5 1.46
3겹(8㎛) 4.28 0.527 42.9 0.97
[표 1]에서 알 수 있듯이, TiO2 박막이 1겹으로 제조될 시에는 0.52ŋ%의 효율을 나타내며, TiO2 박막이 2겹으로 제조될 시에는 1.46ŋ%의 효율을 나타내며, TiO2 박막이 3겹으로 제조될 시에는 0.97ŋ%의 효율을 나타냄으로써, TiO2 박막이 2겹으로 제조될 시에 가장 높은 효율을 보이는 것으로 관찰되었다. 이때, TiO2 입자의 크기는 동일하게 15~30㎚로 고정시켰다. 또한, A-STEP으로 5회 평균으로 측정한 결과 시료의 TiO2 박막의 두께는 TiO2 박막이 1겹으로 제조될 시에는 3㎛, TiO2 박막이 2겹으로 제조될 시에는 6㎛, TiO2 박막이 3겹으로 제조될 시에는 8㎛ 로 나타났다.
여기서, TiO2 박막은 닥터 블레이딩법으로 코팅되고, 80℃~150℃로 맞춰진 오븐에 5~20분 정도 가열되기에, TiO2 박막의 두께가 3㎛미만이면 TiO2 박막이 너무 얇아 코팅막이 형성되지 않는다. 또한, TiO2 박막의 두께가 8㎛를 초과하면 코팅막은 형성이 되나 형성된 코팅막이 너무 두꺼워 코팅막의 입자가 떨어져 나오는 현상이 발생된다.
이제, TiO2 나노 입자층의 두께에 따른 유기 염료 특성의 변화 및 UV 측정 그래프인 도 3을 참조하면, 상기 TiO2 나노 입자층을 두께별로 변화시켰을 경우 나타나는 태양전지의 특성을 전압, 전류, 충전율, 효율 등의 값을 나타낸 것이다. 도 3에서 검은색 실선은 TiO2 나노 입자층이 1겹(3㎛)인 경우이고, 붉은색 실선은 TiO2 나노 입자층이 2겹(6㎛)인 경우이며, 푸른색 실선은 TiO2 나노 입자층이 3겹(8㎛)인 경우이다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, TiO2 나노 입자층의 두께에 따라 개방전압과 충전율의 요소가 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 즉, 6㎛의 TiO2 나노 입자층의 두께를 가지는 염료감응형 태양전지의 셀의 경우, 3㎛의 TiO2 나노 입자층의 두께를 가지는 염료감응형 태양전지보다 무려 3배 높은 전류 밀도를 갖는다는 것을 알 수 있는데, 이는 전자의 양이 많아짐을 의미한다. 따라서 전자의 전자를 많이 발생시키면서도, 일전극으로 이동하는데 소모되는 전자의 손실을 줄이는 조건임을 알 수 있다.
또한 TiO2 나노 입자층을 1겹(3㎛)만 코팅을 하였을 경우, 반투명 특성을 형성하는 박막을 관찰할 수가 있는데, 박막이 투명하게 되면, 빛이 그대로 통과하게 되어, 염료와 반응하는 빛의 양이 감소하게 되고, 결과적으로 효율이 감소하게 된다. 하지만 TiO2 나노 입자층을 2겹(6㎛), 3겹(8㎛)으로 코팅을 한 경우에는 이러한 현상이 상대적으로 감소되어 효율이 증대함을 알 수 있다.
이제, TiO2 나노 입자층의 두께가 상이할 때의 UV 투과율 XRD 그래프와 UV 투과율 측정 그래프를 도시한 도 4a 내지 도 5c를 참조하면, TiO2 나노 입자층의 두께가 6㎛일 때, 투과율과 효율이 모두 증대되는데, 이는 앞서 표 1에서와 도 3에서 TiO2 박막이 6㎛일 때 광투과율과 염료감응형 태양전지의 효율이 증대한다는 것과 일치됨을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 박막의 두께가 증대하여 박막의 두꺼워지면, 박막이 얇을때보다 상대적으로 투과되는 빛의 양이 줄어들면서, 광산란이 많이 일어나게 되는 것도 효율향상의 원인이 될 수 있다. 일반적으로 TiO2 박막이 일정두께 이상으로 증가하면, 비표면적의 증가로 염료의 흡착량이 증가를 하지만, 전자의 확산 시간도 증가를 하여, 전자의 수면과 경쟁이 일어나므로, 전자의 전달의 특성이 나빠진다. 또한 빛의 투과율이 감소를 하여 광전자의 농도가 염료량에 비례하여 증가하지 못한다. 동시에 TIO2 막의 두께가 두꺼워지면, 염료에서 받은 전자를 전극으로 이동시키면서, 재결합이나 트래핑(Trapping)의 영향으로 전자의 손실 많아져 전자의 양이 줄어들어, 효율이 낮아지는 결과를 나타낸다. 즉, TiO2 박막이 8㎛인 경우, 개방전압이 급격하게 감소함을 알 수가 있다. 이는 전자의 재결합 증대와 전자의 이동이 8㎛ 박막의 두께에선 제한이 되어지는데, 이러한 현상은 TiO2의 비표면적에 기인한 것이다. 또한 이러한 영향은 TiO2 박막의 높은 저항성으로 충전율의 감소로 나타난다. 즉 이러한 영향이 전자의 이동의 저항의 증가와 I3- 이온이 TIO2 안에서 재결합하는 현상으로 나타나, 결과적으로 TiO2 박막이 6㎛일 때의 효율보다 낮은 효율을 나타낸다.
여기서, SQ2의 염료는 가시광선의 빛만을 선택적으로 흡수하기 때문에, 결과적으로 N719 다이(N719 Dye)나 블랙 다이에 비하여 상대적으로 효율이 낮은 것으로 관찰된다.
전술된 바에 따라 제조된 본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지 셀은 도 6에 도시된 바와 같다. 도 6에서 좌측에 도시된 것이, 3㎛의 TiO2 나노 입자층의 두께를 가지는 염료감응형 태양전지의 셀이며, 중앙에 도시된 것이 6㎛의 TiO2 나노 입자층의 두께를 가지는 염료감응형 태양전지의 셀이며, 우측에 도시된 것이 9㎛의 TiO2 나노 입자층의 두께를 가지는 염료감응형 태양전지의 셀이다.
본 발명에 따른 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 TiO2 나노입자 염료감응형 태양전지는 제조공정이 단순하고, 저온소성 TiO2 나노입자를 사용하였으며, 하이드로폴리머를 이용하여 TiO2의 접착력을 향상시켰으며, 푸른색 유기염료인 SQ2를 이용함으로써 전극의 열화 가능성이 있는 염료감응형 태양전지의 신뢰도를 향상시킴과 동시에 다양한 기판에 전극을 형성시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101: 상대전극 102: 전해질층
103: 일전극 104, 107: 기판
105: 전극 106: 광흡수층
108: 투명전도성막 109: Pt 또는 탄소 필름
110: 전해질

Claims (9)

  1. 유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판(104)과, 상기 투명기판(104)의 내측표면에 형성된 SnO2 재질의 도전성 투명전극 코팅층(105) 및 상기 도전성 투명전극 코팅층(105)의 표면에 형성된 광흡수층(106)으로 구성되는 일전극(103)과;
    유리 또는 플라스틱 재질의 투명기판(107)과, 상기 투명기판(107)의 내측표면에 형성된 투명전도성막(108)과, 상기 투명전도성막(108)의 표면에 형성된 Pt 또는 탄소 필름(109)으로 구성된 상대전극(101); 및
    상기 일전극(103)과 상기 상대전극(101) 간에 전해질(110)을 충진한 전해질층(102);을 포함하며,
    상기 광흡수층(106)은 도전성 투명전극 코팅층(105)의 표면에 TiO2졸(sol)을코팅한 후 80℃~150℃의 온도로 저온 소성하여 TiO2 나노입자층을 형성하고, 상기 TiO2 나노입자층을 에탄올 용액과 푸른색 유기염료인 SQ2가 혼합된 염료용액에 침지하여 TiO2 나노입자층에 SQ2 염료를 흡착시킨 것을 특징으로 하는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SQ2는 에탄올 100 ml 당 0.03~0.1g이 혼합되는 것을 특징으로 하는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 TiO2 나노입자층은 TiO2 나노입자의 크기가 15~30㎚이고, TiO2 나노입자층의 두께가 3㎛~8㎛인 것을 특징으로 하는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 TiO2 졸(sol)은 TiO2와 Poly Ethylene Oxide 및 Poly Ethylene Glycol로 이루어지는 혼합물과, DI water와 아세틸 아세톤(Acetyl acetone)으로 이루어진 용액을 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 TiO2 와 Poly Ethylene Oxide 및 Poly Ethylene Glycol로 이루어지는 혼합물의 혼합비는 3~5g : 0.5~1g : 0.5~1g인 것을 특징으로 하는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 DI water와 아세틸 아세톤의 혼합비는 15~20㎖ : 1~5㎖인 것을 특징으로 하는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 혼합물 1g 당 2~10ml의 용액이 혼합되는 것을 특징으로 하는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 TiO2 나노입자층은 TiO2졸(sol)을 닥터 블레이딩(Doctor-blading)법으로 코팅하고, 80℃~150℃에서 5~20분 동안 가열한 후 냉각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지.
  9. 삭제
KR1020110137400A 2011-12-19 2011-12-19 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지 KR101323603B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110137400A KR101323603B1 (ko) 2011-12-19 2011-12-19 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110137400A KR101323603B1 (ko) 2011-12-19 2011-12-19 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130070192A KR20130070192A (ko) 2013-06-27
KR101323603B1 true KR101323603B1 (ko) 2013-11-01

Family

ID=48865054

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110137400A KR101323603B1 (ko) 2011-12-19 2011-12-19 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101323603B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100994902B1 (ko) 2010-04-06 2010-11-16 서울대학교산학협력단 플렉서블 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
KR20110038536A (ko) * 2009-10-08 2011-04-14 전남대학교산학협력단 기능기가 증가된 광촉매 및 그 제조방법, 상기 광촉매를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법
KR20110120639A (ko) * 2010-04-29 2011-11-04 (주) 파루 염료 흡착된 Ｔｉ０₂ 미세분말 잉크를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 염료 흡착된 Ｔｉ０₂ 미세분말 잉크를 이용하여 롤대롤 인쇄공정으로 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법
KR20130008368A (ko) * 2011-07-12 2013-01-22 인하대학교 산학협력단 이온성 고분자를 이용한 염료감응형 태양전지의 광전극 및 이의 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110038536A (ko) * 2009-10-08 2011-04-14 전남대학교산학협력단 기능기가 증가된 광촉매 및 그 제조방법, 상기 광촉매를 포함하는 염료감응형 태양전지의 반도체 전극용 페이스트 조성물과 그 제조방법, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법
KR100994902B1 (ko) 2010-04-06 2010-11-16 서울대학교산학협력단 플렉서블 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
KR20110120639A (ko) * 2010-04-29 2011-11-04 (주) 파루 염료 흡착된 Ｔｉ０₂ 미세분말 잉크를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 염료 흡착된 Ｔｉ０₂ 미세분말 잉크를 이용하여 롤대롤 인쇄공정으로 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법
KR20130008368A (ko) * 2011-07-12 2013-01-22 인하대학교 산학협력단 이온성 고분자를 이용한 염료감응형 태양전지의 광전극 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130070192A (ko) 2013-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100658263B1 (ko) 적층형 광전변환소자 및 그의 제조방법
KR101303450B1 (ko) 염료 감응 태양전지 및 그 제조방법
US20120186645A1 (en) Dye sensitized solar cell, and method of manufacturing the same
Raksha et al. Functional materials for dye-sensitized solar cells
JP4969046B2 (ja) 光電変換装置およびそれを用いた光発電装置
JP4925605B2 (ja) 光電変換装置およびそれを用いた光発電装置
US9090048B2 (en) Counter electrode having carbon material layer for dye-sensitized photovoltaic cell and method of preparing the same
KR20120136578A (ko) 염료감응 태양전지 및 그 제조방법
KR101172361B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법
KR20080054971A (ko) 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법
JP4836473B2 (ja) 光電変換装置およびその製造方法ならびに光発電装置
JP2009009936A (ja) 光電変換装置
KR101190002B1 (ko) 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
Rong et al. Monolithic all-solid-state dye-sensitized solar cells
JP2002314108A (ja) 太陽電池
KR20110026818A (ko) 염료 감응 태양전지 및 그 제조방법
KR100846156B1 (ko) 탄소입자를 이용한 작업전극의 제조방법 및 이를 이용한염료감응 태양전지 모듈
JP4651346B2 (ja) 光電変換装置およびそれを用いた光発電装置
KR100670331B1 (ko) 플라스틱 전극 및 이를 채용한 태양전지
KR101044338B1 (ko) 염료 및 다원자음이온이 흡착된 나노 산화물층을 포함한 음극계 전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
JP4497999B2 (ja) 色素増感太陽電池
KR101241751B1 (ko) Ｃｌａｙ를 이용한 준고체 전해질을 적용하여 제조된 염료감응형 태양전지
KR101323603B1 (ko) 저온에서 하이드로폴리머를 이용하여 제조된 이산화티타니아 나노입자 염료감응형 태양전지
Nursam et al. Low-cost monolithic dye-sensitized solar cells fabricated on single conductive substrate
Supriyanto et al. Effect of sintering temperatures and screen printing types on TiO2 layers in DSSC applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161020

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171020

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181022

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191023

Year of fee payment: 7