KR101326659B1 - 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법 및 상기 이산화티타늄 나노튜브를 포함하는 고효율 염료감응 태양전지용 광전극 - Google Patents
이산화티타늄 나노튜브의 제조방법 및 상기 이산화티타늄 나노튜브를 포함하는 고효율 염료감응 태양전지용 광전극 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법 및 상기 이산화티타늄 나노튜브를 포함하는 고효율 염료감응 태양전지용 광전극에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 알코올 용매에 티타늄 전구체와 염기 첨가제를 혼합하고, 이 용액을 고압 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법 및 상기 이산화티타늄 나노튜브를 포함하는 고효율 염료감응 태양전지용 광전극에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법 및 상기 산화티타늄 나노튜브를 포함하는 고효율 염료감응 태양전지용 광전극에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 알코올 용매에 티타늄 전구체와 염기 첨가제를 혼합하고, 이 용액을 고압 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법 및 상기 산화티타늄 나노튜브를 포함하는 고효율 염료감응 태양전지용 광전극에 관한 것이다.
최근 산유국을 중심으로 원유가격 급등과 온실가스 배출 관련 교토협약으로 인해 에너지 수입의존도가 높은 나라들은 미래의 에너지와 환경문제를 극복할 수 있는 신재생에너지 개발 및 상용화가 절실한 상황이다.
미래 신재생에너지 중 무한한 태양빛을 에너지원으로 하는 환경 친화적인 태양전지의 중요성이 부각되고 있다. 현재 이러한 태양전지의 종류로는 실리콘 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기반도체 태양전지가 있다.
광전기화학형 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell : DSSC)는 1991년 스위스 그라첼(Gratzel) 교수가 TiO2 반도체 박막에 광감응 염료인 루테늄(Ru(Ⅱ)) 계열의 착화합물을 흡착시켜 개발하였고, 실리콘 태양전지를 대체할 태양전지로서 상용화에 가장 근접한 염료감응형 태양전지는 기존의 태양전지에 비해 광전효율이 약 10%로 다소 낮은 수준이나, 저가의 제조 설비 및 공정 기술로 인해 발전 단가를 실리콘계의 1/5까지 낮출 수 있고, 유연(flexible) 기판에 투명 태양전지로 응용 가능한 장점으로 인해 세계적으로 집중적인 연구가 행해지고 있다.
염료감응 태양전지는 광전극, 상대전극 및 전해질로 구성되며, 광전극은 투명전도성 기판(FTO) 위에 넓은 밴드갭 에너지를 가지고 있는 금속산화물 나노입자(TiO2)에 감광성 염료를 흡착시켜 사용하고, 상대전극은 투명전도성 기판위에 백금(Pt)을 코팅하여 사용한다. 일반적으로 염료감응 태양전지에 있어서, 광전극의 금속산화물의 크기는 10~20nm 크기를 가진 이산화티타늄(TiO2)을 사용하며, 코팅막은 약 10㎛ 두께로 형성되어 있다. 이러한 염료감응 태양전지의 작동원리는 다음과 같다.
이산화티타늄 나노전극에 루테늄 계열의 염료가 흡착되어, 이 염료가 빛 에너지를 받아 들뜬 상태가 되면, 전자가 이산화티타늄 나노전극으로 주입된다. 이때 빠른 속도로 전자가 주입되며, 산화된 염료 또한 빠른 속도로 재생된다.
반면 전자가 표면상태를 거쳐 전해질로 손실되는 재결합 속도는 다소 느리기 때문에 대부분의 광전자는 반도체 전도 띠로 주입되어 전자전달에 참여하여 광-전기 에너지 변환효율이 우수하다.
고효율의 염료감응 태양전지를 제조하기 위해서는 이산화티타늄의 표면적이 넓어야 하고, 흡착된 광감응 염료의 양이 많아야 한다. 염료의 흡착량을 증가시키려면 이산화티타늄의 크기가 작아야 하지만, 이 경우 흡착된 염료에 의하여 생성된 홀과 전자의 재결합 자리를 제공하게 되는 단점을 가지고 있다.
상기의 광전극은 염료가 흡착된 이산화티타늄 나노 입자로 구성되어 있는 광흡수층과 흡수하지 못한 빛을 다시 광흡수층으로 되돌려 보내는 광산란층(scattering layer)으로 구성되어 있다.
초기의 염료감응형 태양전지는 광산란층이 없어 입사되는 빛을 모두 흡수하기 위해서는 염료가 흡착된 광흡수층을 두껍게 만들어야 했다. 그러나 흡수층이 너무 두꺼워지면 저항이 증가하여 흡수층이 적절한 두께 이상에서는 에너지 변환 효율이 감소한다.
상기의 단점을 보완하기 위해 입자가 상대적으로 큰 이산화티타늄을 사용하여 광산란층을 도입하였다. 흡수층에서 흡수하지 못한 빛을 다시 산란시켜 효율을 높이는 방법이다. 그러나 광산란층으로 사용하는 입자가 큰 이산화티타늄은 광흡수층의 이산화티타늄보다 염료를 덜 흡착하는 단점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 광전극에 있어서 주로 광산란층에 사용되는 입자가 큰 이산화티타늄 입자보다 표면적이 넓고, 염료 흡착량이 많은 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브를 제조하여, 이를 태양전지용 광전극에 적용하므로써 광산란 역할을 하면서 광흡수를 통해 광전자를 생성하는 역할도 동시에 가능하게 하여, 고효율 염료감응 태양전지의 제조를 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법은, 알코올 용매에 티타늄 전구체와 염기 첨가제를 혼합하고, 이 용액을 고압 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 알코올 용매로는 지방족 알코올을 사용할 수 있으며, 바람직한 예로는, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올 등을 들 수 있다.
본 발명에서 사용되는 티타늄 전구체로는, 티타늄 중심 원자에 에톡사이드(Ethoxide), 부톡사이드(Butoxide) 및 이소프로폭사이드(Isopropoxide) 등과 같은 산소 원자를 포함한 알콕사이드가 결합하여 있어 외부에너지에 의한 분해에 의해 이산화티타늄 입자가 생성될 수 있는 전구체인 티타늄 알콕사이드를 사용할 수 있다. 그 중에서도 특히 티타늄(IV) 이소프로폭사이드(TTIP, 97%, 앨드리치사제)가 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 염기 첨가제로는 테트라부틸암모늄 히드록사이드(TBAH : tetrabuthylammonium hydroxide)를 들 수 있다. 상기 염기 첨가제는 상기 티타늄 전구체:염기 첨가제=1:5~10의 몰비, 바람직하게는 1:8.5의 몰비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직한데, 염기 첨가제의 사용 농도를 상기의 범위로 조절하므로써 순수한 아나타제(anatase) 결정상을 가지며, 크기가 균일한 이산화티타늄 나노튜브를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화티타늄 나노튜브의 제조에 있어, 티타늄 전구체와 염기 첨가제의 농도가 증가할수록 속이 빈 막대형태의 길이는 길어진다.
본 발명에서는 상기 티타늄 전구체와 상기 염기 첨가제를 고압 마이크로웨이브를 이용하여 반응시키는 것을 특징으로 하는데, 반응 조건은 150~250℃의 온도범위에서 2~6시간 동안 출력 150~500W으로 반응시키는 것이 바람직하다.
상기 반응 온도가 150℃ 미만인 경우에는 입자들의 크기가 고르지 않으며, 심하게 뭉치는 현상이 발생하여 바람직하지 않고, 250℃를 초과하는 경우에는 고출력 마이크로웨이브 용기가 고온으로 인해 변형이 생기며, 고압을 견디지 못해 분출하는 경우가 발생하여 바람직하지 않으며, 반응 시간이 2시간 미만인 경우에는 충분한 반응시간이 아니기 때문에 이산화티타늄 입자의 크기나 형태를 원하는대로 제어할 수 없어 바람직하지 않고, 반응 시간이 6시간을 초과하는 경우에는 실험결과 5~6시간 반응으로 우리가 원하는 이산화티타늄 입자를 얻을 수 있어 초과 반응시간은 필요없다는 결과를 얻어 바람직하지 않으며, 또한 출력이 150W 미만인 경우에는 고출력 마이크로웨이브 용기에 시간내 원하는 온도까지 높이는데 부족함이 있어 바람직하지 않고, 출력이 500W을 넘는 경우에는 고출력 마이크로웨이브 합성장치에 부담을 주기 때문에 바람직하지 않다. 단, 고출력 마이크로웨이브 용기가 2개 이상일 경우에는 500W 이상의 출력을 필요로 한다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 이산화티타늄 나노튜브는 정육면체(cube) 형태의 이산화티타늄 나노입자들이 모여서 속이 빈 막대형태를 이루고 있으며, 본 발명에 의한 속이 빈 막대형의 이산화티타늄 나노튜브를 이루는 상기 이산화티타늄 나노입자의 평균입경은 20~35nm인 것이 바람직하고, 속이 빈 막대의 폭은 500~1000nm이며, 길이는 10~20㎛인 것이 바람직하다. 상기 이산화티타늄 나노입자의 평균입경이 20nm 미만인 경우에는 입자가 너무 작아 염료 흡착이 제한되어 바람직하지 않고, 35nm를 초과하는 경우에는 표면적이 작아져 염료 흡착율이 떨어져 바람직하지 않으며, 상기 속이 빈 막대의 폭이 500nm 미만인 경우에는 빛 산란이 저하되어 바람직하지 않고, 1000nm를 초과하는 경우에는 페이스트 제조시 나노튜브 형태를 유지하기 힘들어 바람직하지 않으며, 상기 속이 빈 막대의 길이가 10㎛ 미만인 경우에는 빛 산란이 저하되어 바람직하지 않고, 20㎛를 초과하는 경우에는 페이스트 제조시 나노튜브 형태를 유지하기 힘들어 바람직하지 않다.
본 발명에 의하면, 상기와 같은 본 발명의 방법으로 제조된 이산화티타늄 나노튜브를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극이 제공된다.
본 발명의 광전극은 본 발명의 방법으로 제조되는 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노 튜브를 포함하는 광산란층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광전극에 있어서, 광산란층은 본 발명의 방법으로 제조되는 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브와 바인더용 고분자 및 용매를 포함하는 페이스트를 이용하여 형성된다.
본 발명의 광전극의 바람직한 하나의 구체예에 의하면, 광전극 기판과, 그 위에 형성된 광흡수층 및 상기 광흡수층 위에 형성된 광산란층을 포함하여 이루어지는 광전극이 제공되며, 상기 광흡수층은 일반적인 입자형태의 이산화티타늄 나노입자와 바인더용 고분자 및 용매, 그리고 필요에 따라 분산안정제와 같은 첨가제를 포함하는 페이스트를 광전극 기판위에 도포하여 형성되고, 상기 광산란층은 본 발명에 따른 이산화티타늄 나노튜브와 바인더용 고분자 및 용매를 포함하는 페이스트를 광흡수층 위에 도포하여 형성된다.
본 발명의 광전극의 제조에 사용되는 상기 바인더용 고분자는 그 종류에 특별히 제한이 없이 당분야에서 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜 등을 들 수 있고, 상기 용매로는 당분야에서 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 물, 알코올, 테르피네올 등을 들 수 있다.
본 발명의 광전극에 있어서, 상기 광흡수층과 광산란층의 두께는 각각 1~50㎛, 바람직하게는 5~30㎛ 두께를 유지하는게 바람직하다. 두께가 1㎛ 미만으로 얇으면 염료 흡착량이 적어 발생전자수가 감소하여 광전변환 효율이 저하되므로 바람직하지 않고, 두께가 50㎛를 초과하면 발생전자수는 염료흡착량에 비례하여 증가하지만, 전자 이동경로인 나노 TiO2 계면이 상대적으로 많아져 임계효율 이상 증가하지 않거나 전해질과 전자가 바로 결합하는 전자의 역전 현상이 발생할 확률이 높아져 오히려 효율이 감소하는 추세를 나타내므로 바람직하지 않다.
본 발명의 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법에 의하면, 가압 반응기의 단점인 장시간의 반응시간을 마이크로웨이브 반응기를 사용함으로써 제조시간을 단축시키고, 저렴한 비용과 간단한 공정으로 대량생산이 가능하다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 이산화티타늄 나노튜브는 염료 흡착이 가능하여 광전자를 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 광산란 효과도 같이 가지고 있기 때문에 에너지 전환 효율을 향상시키는 장점을 가지고 있다.
또한, 본 발명에서 제조된 속이 빈 막대형 이산화티타늄은 광산란 효과와 더불어 광흡수도 동시에 하기 때문에 차후 염료감응 태양전지의 에너지변환 효율을 향상시키는데 이바지할 수 있다.
또한 본 발명의 방법으로 제조된 이산화티타늄 나노튜브를 사용하여 염료감응 태양전지용 광전극을 제조할 경우, 태양전지의 높은 효율을 기대할 수 있으며, 염료감응 태양전지의 제조 단가도 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 이산화티타늄 나노튜브의 크기와 형태를 전자현미경을 통하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이고,
도 2는 본 발명에 따라 제조된 이산화티타늄 나노튜브와 P25의 결정상 비교를 위해서 X-ray 회절 분석법(XRD)을 통하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이고,
도 3은 본 발명에 따라 제조된 이산화티타늄 나노튜브를 이용하여 형성된 광산란층을 포함하는 광전극을 갖는 염료감응 태양전지의 구조를 간략하게 도시하여 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에서 제조한 각각의 광전극을 이용하여 제작한 염료감응 태양전지에 대한 광전류밀도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 이산화티타늄 나노튜브와 P25의 결정상 비교를 위해서 X-ray 회절 분석법(XRD)을 통하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이고,
도 3은 본 발명에 따라 제조된 이산화티타늄 나노튜브를 이용하여 형성된 광산란층을 포함하는 광전극을 갖는 염료감응 태양전지의 구조를 간략하게 도시하여 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에서 제조한 각각의 광전극을 이용하여 제작한 염료감응 태양전지에 대한 광전류밀도의 변화를 나타낸 그래프이다.
제조예 : 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브의 제조
에탄올 24ml에 티타늄 이소프로폭사이드(titanium(IV) isopropoxide : TTIP, 97%, 앨드리치사제)를 첨가하여 10분 동안 교반한 후에 TBAH(tetrabutylammonium hydroxide solution, 40wt.% in H2O, 앨드리치사제)를 첨가하여 약 10분간 교반하였다. 이때 화학종 각각의 몰비는 Ti : TBAH : H2O : EtOH = 5 : 42.5 : 2 : 41.5이고, 여기서 얻어진 용액은 투명하고 침전물이 없었다.
혼합용액은 마이크로 웨이브파를 조사하기 위해 고압 마이크로웨이브 전용 반응 용기(MicroSYNTH, Milestone S&T Co., Ltd)로 옮겨지고, 500W의 출력에서 30분 동안 200℃까지 승온 후 최대 3시간 또는 6시간의 수열반응을 진행시켜 TiO2 나노입자를 생성하였다. 대부분의 반응조건은 200℃, 6시간을 유지하였다.
고압 마이크로웨이브 전용 반응기의 용기는 테프론 재질로 만들어졌으며, 최대 압력 100bar, 최대 온도 300℃까지 견딜 수 있으며, 최대용량 100ml로 동시에 10개의 용기를 이용하여 합성할 수 있어, 한번의 반응으로 대량 합성도 가능하다.
증류수와 에탄올로 세척하고, 원심분리기를 이용해 침전을 모으는 과정을 수차례 반복하고, 건조시켜 최종 생성물을 얻었다.
모든 화학종은 정제없이 실온 및 대기압 하에서 진행하였다. 그리고 물은 탈이온화된 증류수를 사용하였다.
반응 후 순수한 흰색의 이산화티타늄 아나타제 결정상을 얻었고, 도 1과 같이 나노입자(평균입경 20~35nm)로 구성된 폭 500~1000nm, 길이 10~20㎛의 이산화티타늄 나노튜브 3.56g을 얻었다.
<실시예 1>
- 이산화티타늄 나노입자(P25)를 광흡수층, 속이 빈 막대형태 이산화티타늄 나노튜브를 광산란층으로 사용한 광전극 제조
광전극 기판으로 FTO 유리기판을 준비하고, 상기 기판의 전도성면 쪽에 접착테이프를 부착하여 0.275㎠의 면적으로 마스킹하였다.
테르피네올(terpineol) : 에틸셀룰로오스 : 라우르산 = 0.75 : 0.05 : 0.02의 중량비로 혼합하여 바인더를 제조하였다. 그 후 TiO2 나노입자(상품명 P25, 평균입경 20nm, Degussa사제): 바인더 = 0.18 : 0.82의 중량비로 혼합하면, TiO2/테르피네올/에틸셀룰로오스/라우르산의 중량비는 0.18/0.75/0.05/0.02가 되었다. 페이스트 믹서를 사용하여 1000rpm으로 약 30분 정도 혼합하여 TiO2 페이스트 1을 제조하였다.
상기에서 제조한 TiO2 페이스트 1을 상기 투명전극(FTO)층 위에 닥터-블레이더(doctor-blade) 방법으로 도포하고, 투명전극 기판을 450℃에서 15분간 소성하여 다공질 막으로 이루어진 광흡수층(두께 10㎛)을 형성하였다.
상기 제조예에서 제조된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브와 바인더용 고분자(에틸셀룰로오즈) 및 용매(테르피네올)를 이용하여, 상기 TiO2 페이스트 1의 제조와 동일한 방법으로 TiO2 페이스트 2를 제조하여 상기 광흡수층 위에 같은 방법으로 도포하고, 450℃에서 15분간 소성하여 다공질 막으로 이루어진 광산란층(두께 10㎛)을 형성하였다.
그런 다음, 상기의 광산란층에 Dyesol사의 N719(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(Ⅱ))를 에탄올 용매에 0.5mmol로 용해시켜 제조한 염료용액을 24시간 흡착시켜 광전극을 제작하였다.
<실시예 2>
- P25를 광흡수층, 속이 빈 막대형태 이산화티타늄 나노튜브 70중량% + P25 30중량%를 광산란층으로 사용한 광전극 제조
속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브의 함량에 따라 광산란 효과에 대한 차이가 있는지를 알아보기 위하여, 상기 제조예에서 제조된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 70중량%와 이산화티타늄 나노입자(P25) 30중량%로 이루어진 혼합물을 사용하여 광산란층을 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<실시예 3>
- P25를 광흡수층, 속이 빈 막대형태 이산화티타늄 나노튜브 30중량% + P25 70중량%를 광산란층으로 사용한 광전극 제조
속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브의 함량에 따라 광산란 효과에 대한 차이가 있는지를 알아보기 위하여, 상기 제조예에서 제조된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 30중량%와 이산화티타늄 나노입자(P25) 70중량%로 이루어진 혼합물을 사용하여 광산란층을 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<실시예 4>
- P90을 광흡수층, 속이 빈 막대형태 이산화티타늄 나노튜브를 광산란층으로 사용한 광전극 제조
상기 실시예 1에서 광흡수층의 형성에 사용된 이산화티타늄 나노입자로서 P25 대신 P90(상품명, 아나타제:루타일=90:10, 평균입경 10~15nm, Degussa사제)을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<실시예 5>
- P90을 광흡수층, 속이 빈 막대형태 이산화티타늄 나노튜브 70중량% + P90 30중량%를 광산란층으로 사용한 광전극 제조
속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브의 함량에 따라 광산란 효과에 대한 차이가 있는지를 알아보기 위하여, 상기 제조예에서 제조된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 70중량%와 이산화티타늄 나노입자(P90) 30중량%로 이루어진 혼합물을 사용하여 광산란층을 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<실시예 6>
- P90을 광흡수층, 속이 빈 막대형태 이산화티타늄 나노튜브 30중량% + P90 70중량%를 광산란층으로 사용한 광전극 제조
속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브의 함량에 따라 광산란 효과에 대한 차이가 있는지를 알아보기 위하여, 상기 제조예에서 제조된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 30중량%와 이산화티타늄 나노입자(P90) 70중량%로 이루어진 혼합물을 사용하여 광산란층을 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<비교예 1>
- 광산란층 없이, P25를 광흡수층으로 사용한 광전극 제조
상기 실시예 1에서 광산란층을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<비교예 2>
- 광산란층 없이, P90을 광흡수층으로 사용한 광전극 제조
상기 실시예 4에서 광산란층을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 4와 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<비교예 3>
- 광산란층 없이, 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브를 광흡수층으로 사용한 광전극 제조
속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브를 광흡수층에 사용하여 광전류를 발생시킬 수 있는지를 알아보기 위해 광전극을 제조하였다.
상기 실시예 1에서 광흡수층의 형성에 사용된 P25 대신 상기 제조예에서 제조된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브를 사용하여 광흡수층을 형성하고, 광산란층을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<비교예 4>
- 광산란층 없이, 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 70중량% + P25 30중량%를 광흡수층으로 사용한 광전극 제조
속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 70중량%를 광흡수층에 사용하여 광전류를 발생시킬 수 있는지를 알아보기 위해 광전극을 제조하였다.
상기 실시예 1에서 광흡수층의 형성에 사용된 P25 대신 상기 제조예에서 제조된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 70중량%와 P25 30중량%의 혼합물을 사용하여 광흡수층을 형성하고, 광산란층을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<비교예 5>
- 광산란층 없이, 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 30중량% + P25 70중량%를 광흡수층으로 사용한 광전극 제조
속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 30중량%를 광흡수층에 사용하여 광전류를 발생시킬 수 있는지를 알아보기 위해 광전극을 제조하였다.
상기 실시예 1에서 광흡수층의 형성에 사용된 P25 대신 상기 제조예에서 제조된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 30중량%와 P25 70중량%의 혼합물을 사용하여 광흡수층을 형성하고, 광산란층을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<비교예 6>
- 광흡수층과 광산란층 모두 P25를 사용한 광전극 제조
P25를 광산란층으로 사용하여 광산란 역할을 할 수 있는지를 비교하기 위하여, 실시예 1에서 광산란층의 형성에 사용된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 대신 P25를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<비교예 7>
- 광흡수층과 광산란층 모두 P90을 사용한 광전극 제조
P90을 광산란층으로 사용하여 광산란 역할을 할 수 있는지를 비교하기 위하여, 실시예 4에서 광산란층의 형성에 사용된 속이 빈 막대형태의 이산화티타늄 나노튜브 대신 P90을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 광전극을 제조하였다.
<실험예 1>
- 입자 크기와 형태 측정
상기 제조예에서 제조된 이산화티타늄 나노튜브의 형태를 전자현미경으로 관찰하여 그 결과를 도 1에 나타내었고, 실시예 1에서 제조한 광전극의 단면을 SEM을 이용해서 확인하였다.
<실험예 2>
- 입자의 결정종류 조사
상기 제조예에 따라 제조된 이산화티타늄 나노튜브(HT)와 P25의 결정성을 X-ray 회절 분석기(Rigaku Multiflex diffractometer CuKa radiation(λ) = 1.5406 A)로 분석하여, 도 2에 함께 나타내었다. HT의 엑스선 회절 패턴을 보게 되면, JCPDS 21-1272 아나타제형인 이산화티타니아 피크와 일치하는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3>
- 태양 전지 제조
상기 실시예들과 비교예들에서 제작된 각각의 광전극과 상대전극을 고분자 필름(Sealing material, SX1170-60)을 개재하여 샌드위치 모양으로 접합한 후, 최종적으로 전해질을 주입하여 염료감응 태양전지를 제작하였다.
제작된 각각의 염료감응 태양전지에 대하여 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency) 및 충진계수(fill factor)를 측정하여 하기 표 1, 2 및 도 5에 나타내었다.
상기 표의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 염료감응 태양전지에서 이산화티타늄 나노튜브를 광산란층으로 사용하게 되면, 광변환 효율이 상승하는 결과를 얻을 수 있었으며(실시예 1, 4와 비교예 1, 2의 효율 차이), 또한 이산화티타늄 나노튜브 중량%에 따라 효율의 차이가 나타나는 결과를 얻을 수 있었다(실시예 1~6의 결과).
이산화티타늄 나노튜브가 광산란층으로 사용되기에 최적의 조건을 가지고 있다는 것은 비교실험 결과를 통해 알 수 있었다(실시예 1, 4와 비교예 6, 7의 결과).
하지만, 이산화티타늄 나노튜브를 각각 광흡수층으로 사용하게 되면 나노튜브 함량에 따라 효율의 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있었다(비교예 3~5의 결과).
Claims (8)
- 알코올 용매에 티타늄 전구체와 염기 첨가제를 티타늄 전구체:염기 첨가제=1:5~10의 몰비로 혼합하고, 얻어진 용액을 고압 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 알코올 용매는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 염기 첨가제는 테트라부틸암모늄 히드록사이드인 것을 특징으로 하는 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브는 평균입경 20~35nm의 이산화티타늄 나노입자들로 이루어지고, 속이 빈 막대의 폭은 500~1000nm이며, 길이는 10~20㎛인 것을 특징으로 하는 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 고압 마이크로웨이브 반응기의 반응 조건은 150~250℃의 온도범위에서 2~6시간 동안 출력 150~500W으로 반응시키는 것을 특징으로 하는 속이 빈 막대형 이산화티타늄 나노튜브의 제조방법.
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| KR101409683B1 (ko) * | 2012-07-06 | 2014-06-19 | 서울대학교산학협력단 | 광 산란과 표면 플라즈몬의 협력효과를 나타내는 금속 나노입자가 표면에 위치한 이산화티타늄 나노섬유를 포함하는 염료감응형 태양전지의 산화전극의 제조방법 |
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2011
- 2011-10-25 KR KR1020110109359A patent/KR101326659B1/ko active IP Right Grant
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