KR101347702B1 - 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법 및 이를 이용한 양자점 감응형 태양전지 제조방법 - Google Patents

계층구조 이산화티탄 분말 제조방법 및 이를 이용한 양자점 감응형 태양전지 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양자점 감응형 태양전지의 광 전극에 사용되는 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법 등에 관한 것이다.
본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법은 이산화티탄 전구체가 포함된 제1 용액과 상기 이산화티탄 전구체의 가수분해에 필요한 물 분자를 공급하기 위한 제2 용액을 혼합한 상태에서 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 간의 가수분해 반응을 통해 상기 이산화티탄 전구체로부터 이산화티탄 나노입자들을 생성하고, 상기 이산화티탄 나노입자들을 졸겔법을 이용하여 구 형상을 갖는 이산화티탄 집합체들로 응집시켜 비정질 이산화티탄 분말을 형성하는 비정질 이산화티탄 분말 형성단계 및 상기 비정질 이산화티탄 분말을 물과 에탄올 및 암모니아를 포함하는 용액에 미리 설정된 온도와 시간 동안 침지시켜 수열 반응시킴으로써 상기 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공을 형성하는 메조 기공 형성단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 이산화티탄 나노입자의 응집에 의해 형성되는 이산화티탄 집합체의 크기를 용이하게 조절할 수 있으며, 광산란과 광흡수의 두 기능을 동시에 수행할 수 있다. 또한, 계층구조 이산화티탄 분말을 광 전극에 적용함으로써 광전변환효율이 향상된 양자점 감응형 태양전지가 제공되는 효과가 있다.

Description

계층구조 이산화티탄 분말 제조방법 및 이를 이용한 양자점 감응형 태양전지 제조방법{HIERARCHICALLY STRUCTURED TITANIUM DIOXIDE POWDER MANUFACTURING METHOD AND QUANTUM-DOT-SENSITIZED SOLAR CELL MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지에 대한 기술로소, 더욱 상세하게는 크기가 제어된 계층구조의 TiO2 나노입자를 양자점 감응형 태양전지의 광 전극으로 활용하여 효율을 높이는 양자점 감응형 태양전지와 그 제조방법 등에 관한 것이다.
태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 Michel Gratzel 연구팀에 의해 양자점 감응형 태양전지가 고안된 이후, 이 분야의 연구가 활발하게 진행되어 오고 있다. 이러한 양자점 감응형 태양전지는 PN형 반도체 태양전지에 비해 저비용으로 제조가 가능하면서도, 광전에너지 변환효율이 높아 차세대 태양전지의 하나로써 주목을 받고 있다.
양자점 감응형 태양전지는 광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하는 양자점 분자, 양자점 분자의 흡착 공간을 제공하는 동시에 전자 전달 경로로써의 기능을 하는 금속 산화물 반도체의 광전극, 그리고 산화된 양자점이 환원될 수 있도록 전자 교환을 할 수 있는 하는 전해질 (I-/I3 - 계열의 액체)로 구성되는 광전기화학전지이다.
양자점 감응형 태양전지에서 광전극의 주요 소재는 아나타제(anatase) 상의 TiO2 나노 입자이다. 10-30 nm 크기를 가지는 TiO2 나노 입자 광전극은 큰 비표면적(>50 m2/g)으로 인하여 충분한 양의 양자점 분자를 흡착할 수 있고, 흡착된 양자점 에 비례하여 광흡수가 일어나 광전류를 생산할 수 있게 된다.
하지만 양자점 흡착의 증가를 위하여 광흡수층인 TiO2 나노 입자 광전극의 두께를 늘리면 저항이 증가하여 한계 두께 이상에서는 효율이 감소하게 된다. 이를 해소하기 위하여 마이크로 또는 수백 nm 크기의 금속 산화물 입자로 구성된 광산란층을 추가로 광흡수층 위에 도입하여 광흡수층을 투과한 빛을 반사시켜 효율을 증대할 수 있었다. 그러나 광산란층으로 사용되고 있는 금속 산화물 입자는 매우 낮은 비표면적으로 인해 양자점을 효율적으로 흡착시키지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 광산란과 광흡수의 두 기능을 동시에 수행할 수 있는 계층구조 이산화티탄 분말 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 이산화티탄 나노입자의 응집에 의해 형성되는 이산화티탄 집합체의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 계층구조 이산화티탄 분말을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 광전변환효율이 향상된 양자점 감응형 태양전지를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 이산화티탄 나노입자들을 응집시켜 이산화티탄 집합체들을 형성하고, 이 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공을 넓게 형성함으로써, 이 메조 기공을 통하여 양자점 형성을 위한 이온들이 용이하게 확산될 수 있도록 하고, 양자점 흡착을 위한 표면적을 크게 증가시켜, 태양전지의 광전변환효율을 증가시키는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 양자점 흡착에 따른 광전류 생산과 기공에 의한 반사 특성에 따른 광산란 효과를 동시에 구현할 수 있게 함으로써, 양자점 감응형 태양전지의 광전변환효율을 크게 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법은 이산화티탄 전구체가 포함된 제1 용액과 상기 이산화티탄 전구체의 가수분해에 필요한 물 분자를 공급하기 위한 제2 용액을 혼합한 상태에서 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 간의 가수분해 반응을 통해 상기 이산화티탄 전구체로부터 이산화티탄 나노입자들을 생성하고, 상기 이산화티탄 나노입자들을 졸겔법을 이용하여 구 형상을 갖는 이산화티탄 집합체들로 응집시켜 비정질 이산화티탄 분말을 형성하는 비정질 이산화티탄 분말 형성단계 및 상기 비정질 이산화티탄 분말을 물과 에탄올 및 암모니아를 포함하는 용액에 미리 설정된 온도와 시간 동안 침지시켜 수열 반응시킴으로써 상기 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공을 형성하는 메조 기공 형성단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 있어서, 상기 이산화티탄 전구체는 티타늄 테트라에톡사이드(titanium tetraethoxide)이고, 상기 제1 용액은 상기 티타늄 테트라에톡사이드과 헥사데실아민(hexadecylamine)을 에탄올에 희석시킨 용액이고, 상기 제2 용액은 염화나트륨 수용액을 에탄올에 희석시킨 용액인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 있어서, 상기 제2 용액의 농도를 조절하여 공급되는 물 분자의 양을 조절함으로써 상기 비정질의 이산화티탄 분말을 구성하는 이산화티탄 집합체의 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 있어서, 상기 제2 용액의 농도를 낮춰 가수분해 반응시간을 늘림으로써 상기 이산화티탄 집합체의 크기를 크게 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 있어서, 상기 제2 용액의 농도를 높여 가수분해 반응시간을 줄임으로써 상기 이산화티탄 집합체의 크기를 작게 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 있어서, 상기 메조 기공 형성단계에서, 상기 암모니아의 양을 조절함으로써 상기 메조 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말은 본 발명에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법은 투명전도성 기판 상에 계층구조 이산화티탄 분말로 이루어진 다공질 이산화티탄 전극층을 형성하는 다공질 이산화티탄 전극층 형성단계, 상기 다공질 이산화티탄 전극층이 형성된 투명전도성 기판을 열처리하여 소성하는 소성단계, 상기 다공질 이산화티탄 전극층에 양자점 형성용 물질을 흡착시키는 양자점 흡착단계를 포함하여 구성되고, 상기 계층구조 이산화티탄 분말은 이산화티탄 전구체가 포함된 제1 용액과 상기 이산화티탄 전구체의 가수분해에 필요한 물 분자를 공급하기 위한 제2 용액을 혼합한 상태에서 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 간의 가수분해 반응을 통해 상기 이산화티탄 전구체로부터 이산화티탄 나노입자들을 생성하고 상기 이산화티탄 나노입자들을 졸겔법을 이용하여 구 형상을 갖는 이산화티탄 집합체들로 응집시켜 비정질 이산화티탄 분말을 형성하는 비정질 이산화티탄 분말 형성단계 및 상기 비정질 이산화티탄 분말을 물과 에탄올 및 암모니아를 포함하는 용액에 미리 설정된 온도와 시간 동안 침지시켜 수열 반응시킴으로써 상기 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공을 형성하는 메조 기공 형성단계를 통해 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 이산화티탄 전구체는 티타늄 테트라에톡사이드(titanium tetraethoxide)이고, 상기 제1 용액은 상기 티타늄 테트라에톡사이드과 헥사데실아민(hexadecylamine)을 에탄올에 희석시킨 용액이고, 상기 제2 용액은 염화나트륨 수용액을 에탄올에 희석시킨 용액인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 제2 용액의 농도를 조절하여 공급되는 물 분자의 양을 조절함으로써 상기 비정질의 이산화티탄 분말을 구성하는 이산화티탄 집합체의 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 제2 용액의 농도를 낮춰 가수분해 반응시간을 늘림으로써 상기 이산화티탄 집합체의 크기를 크게 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 제2 용액의 농도를 높여 가수분해 반응시간을 줄임으로써 상기 이산화티탄 집합체의 크기를 작게 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 메조 기공 형성단계에서, 상기 암모니아의 양을 조절함으로써 상기 메조 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 다공질 이산화티탄 전극층의 두께는 10㎛ 이상 20㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 다공질 이산화티탄 전극층은 광 흡수 및 광 산란의 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 양자점 흡착단계에서 연속적 이온층 흡착 반응법(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction, SILAR)을 이용하여 상기 양자점 형성용 물질을 상기 다공질 이산화티탄 전극층에 흡착시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 양자점 형성용 물질은 CdS, CdSe, PbS, Ag2S 및 PbSe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지는 본 발명에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 광산란과 광흡수의 두 기능을 동시에 수행할 수 있는 계층구조 이산화티탄 분말 및 그 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 이산화티탄 나노입자의 응집에 의해 형성되는 이산화티탄 집합체의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 계층구조 이산화티탄 분말 및 그 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 광전변환효율이 향상된 양자점 감응형 태양전지가 제공되는 효과가 있다.
또한, 이산화티탄 나노입자들을 응집시켜 이산화티탄 집합체들을 형성하고, 이 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공을 넓게 형성함으로써, 이 메조 기공을 통하여 양자점 형성을 위한 이온들이 용이하게 확산될 수 있고, 양자점 흡착을 위한 표면적이 크게 증가되기 때문에, 태양전지의 광전변환효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 양자점 흡착에 따른 광전류 생산과 기공에 의한 반사 특성에 따른 광산란 효과를 동시에 구현할 수 있게 되어, 양자점 감응형 태양전지의 광전변환효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 계층구조 이산화티탄 분말, 양자점이 증착된 계층구조 이산화티탄 분말, 종래의 상용 이산화티탄 분말, 양자점이 증착된 상용 이산화티탄 분말을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 의해 제조된 계층구조 이산화티탄 분말을 구성하는 이산화티탄 집합체를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 5 내지 도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법을 나타낸 공정 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 감응형 태양전지의 광전류-광전압 특성곡선을 종래의 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법은 비정질 이산화티탄 분말 형성단계(S10) 및 메조 기공 형성단계(S20)를 포함하여 구성된다.
<비정질 이산화티탄 분말 형성단계(S10)>
비정질 이산화티탄 분말 형성단계(S10)에서는, 이산화티탄 전구체로부터 비정질 이산화티탄 분말을 생성하는 과정이 수행된다. 생성되는 비정질 이산화티탄 분말은 이산화티탄 나노입자들이 응집된 이산화티탄 집합체들로 구성된다.
이하에서는, 이산화티탄 전구체는 티타늄 테트라에톡사이드(titanium tetraethoxide)이고, 제1 용액은 티타늄 테트라에톡사이드와 헥사데실아민(hexadecylamine)을 에탄올에 희석시킨 용액이고, 상기 제2 용액은 염화나트륨 수용액을 에탄올에 희석시킨 용액인 경우를 예로 들어, 비정질 이산화티탄 분말 형성단계를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저 단계 S12에서는, 3.42g의 티타늄 테트라에톡사이드(titanium tetraethoxide)와 1.33g의 헥사데실아민을 100ml의 에탄올에 희석시킨 제1 용액과 이 티타늄 테트라에톡사이드의 가수분해에 필요한 물 분자를 공급하기 위한 제2 용액 즉, 염화나트륨 (sodium chlroride) 수용액을 0.2M 농도로 에탄올에 희석시킨 제2 용액을 혼합한다. 후술하겠지만, 제2 용액의 농도에 따라 생성되는 이산화티탄 집합체의 크기가 조절된다.
다음으로 단계 S14에서는, 제1 용액과 제2 용액 간의 가수분해 반응을 통해이산화티탄 전구체인 티타늄 테트라에톡사이드로부터 이산화티탄 나노입자들을 생성하는 과정이 수행된다.
다음으로 단계 S16에서는, 가수분해 반응에 의해 티타늄 테트라에톡사이드로부터 생성된 이산화티탄 나노입자들을 졸겔법(sol-gel method)을 이용하여 구 형상을 갖는 이산화티탄 집합체들로 응집시켜 비정질 이산화티탄 분말을 생성하는 과정이 수행된다.
한편, 단계 S12에서 제2 용액의 농도를 조절하여 공급되는 가수분해 반응에 공급되는 물 분자의 양을 조절함으로써 비정질의 이산화티탄 분말을 구성하는 이산화티탄 집합체의 크기를 조절할 수 있다.
하나의 예로, 제2 용액의 농도를 낮추는 경우 공급되는 물 분자의 양이 늘어나고, 이에 따라 가수분해 반응시간이 길어지기 때문에, 응집되는 이산화티탄 나노분말의 수가 증가하여 이산화티탄 집합체의 크기가 크게 조절된다.
다른 예로, 제2 용액의 농도를 높이는 경우 공급되는 물 분자의 양이 줄어들고, 이에 따라 가수분해 반응시간이 짧아지기 때문에, 응집되는 이산화티탄 나노분말의 수가 감소하여 이산화티탄 집합체의 크기가 작게 조절된다.
<메조 기공 형성단계(S20)>
메조 기공 형성단계(S20)에서는, 이산화티탄 집합체들로 구성된 비정질 이산화티탄 분말을 수열 반응시켜 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공들(mesopores)을 형성하는 과정이 수행된다.
이를 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
앞서 설명한 바와 같이, 졸겔법을 통하여 만들어진 크기가 제어된 구 형상을 갖는 이산화티탄 집합체들은 물과 에탄올이 1:2로 혼합된 용액에 4ml의 암모니아가 첨가된 환경 하에서 수열 반응을 거치게 된다. 이때 수열반응의 온도는 160 ℃, 반응 시간은 16 시간으로 설정할 수 있다.
이러한 수열 반응을 거치게 되면, 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 미세한 메조 기공들이 형성되며, 수열 반응의 종료 후에는 비정질 이산화티탄 분말을 구성하는 이산화티탄 집합체들은 내부에 메조 기공의 네트워크를 갖는 계층 구조를 갖게 된다.
한편, 메조 기공 형성단계에서, 첨가되는 암모니아의 양을 조절함으로써 메조 기공의 크기를 조절할 수 있다.
제조된 계층 구조 이산화티탄 분말에 대하여 무수 에탄올을 이용하여 세정 공정을 수행하여 잔류 불순물을 제거할 수 있다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 계층구조 이산화티탄 분말을 촬영한 사진이고, 도 2의 (c)는 종래의 상용 이산화티탄 분말을 촬영한 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 계층구조 이산화티탄 분말을 구성하는 하나의 이산화티탄 집합체를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3에서, T1은 이산화티탄 집합체의 크기가 1554nm인 경우이고, T2는 757nm인 경우이고, T3는 587nm인 경우이다.
도 2의 (a)와 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 제조된 계층구조 이산화티탄 나노분말을 구성하는 이산화티탄 집합체는 약 587-1554nm의 크기를 가지게 되며, 그 내부는 약 10nm 크기의 이산화티탄 나노입자들이 응집되어 모여 있는 구조를 갖는다. 이에 비하여, 도 2의 (c)를 참조하면, 종래의 상용 이산화티탄 분말에는 기공도가 매우 낮은 것을 알 수 있다.
이와 같이 제조된 내부에 메조 기공들이 형성된 이산화티탄 집합체들로 구성된 계층구조 이산화티탄 분말은 후술하는 양자점 감응형 태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위한 수단으로 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 5 내지 도 9는 그 공정 단면도들이다.
도 4 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자점 감응형 태양전지 제조방법은 다공질 이산화티탄 전극층 형성단계(S100), 소성 단계(S200), 양자점 흡착단계(S300) 및 접합/전해질 충진 단계(S400)를 포함하여 구성된다.
먼저 도 4와 도 5를 참조하면, 단계 S100에서, 하부 투명전도성 기판(10) 상에 계층구조 이산화티탄 분말을 이용하여 다공질 이산화티탄 전극층(20)을 형성하는 과정이 수행된다. 이 다공질 이산화티탄 전극층(20)을 이루는 재료는 앞서 상세히 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 의해 제조된 계층구조 이산화티탄 분말이다. 하부 투명전도성 기판(10)과 후술하는 상부 투명전도성 기판(30)은 투명 산화물 전도막이 코팅된 유리 기판으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 이러한 다공질 이산화티탄 전극층(20)은 스크린 프린팅방식으로 형성될 수 있다. 즉, 계층구조 이산화티탄 분말을 용매와 혼합하여 콜로이드를 제조한 후, 고분자 바인더를 혼합하고, 이베퍼레이터(rotary evaporator)로 45 ℃에서 1시간 내외의 시간을 거쳐 용매를 제거함으로써 점성이 제어된 스크린 프린트용 페이스트를 제조하고, 이 페이스트를 하부 투명전도성 기판(10)에 스크린 프린팅한다. 이때, 계층 구조 TiO2 입자: 에틸 셀룰로오스: α-터피네올(terpineol)의 무게비를 25%:10%:65%로 설정하여 혼합할 수 있다.
이러한 다공질 이산화티탄 전극층(20)은 후술하는 광감응성 양자점이 흡착되게 되면 광 흡수 및 산란의 기능을 동시에 수행하며, 그 두께는 10㎛ 이상 20㎛ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
다음으로 도 4와 도 6을 참조하면, 단계 S200에서, 다공질 이산화티탄 전극층(20)이 형성된 하부 투명전도성 기판(10)을 열처리하여 소성하는 과정이 수행된다.
예를 들어, 다공질 이산화티탄 전극층(20)을 14㎛의 두께로 형성한 후, 500 ℃에서 30분 간 열처리를 실시하여 고분자 바인더와 용매를 제거하고 입자간의 연결성을 높인다.
다음으로 도 4와 도 7을 참조하면, 단계 S300에서는, 광 전자 생성을 위하여 가시광 영역에서의 흡광을 하는 양자점을 광전극인 다공질 이산화티탄 전극층(20)에 흡착시키는 과정이 수행된다.
예를 들어, 이러한 양자점 흡착단계에서는, 연속적 이온층 흡착 반응법(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction, SILAR)을 이용하여 양자점 형성용 물질을 다공질 이산화티탄 전극층(20)에 흡착시킬 수 있으며, 양자점 형성용 물질은 CdS, CdSe, PbS, Ag2S 및 PbSe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에서는, 일반적으로 많이 활용되고 있는 CdS(cadmium sulfide)를 이용하였다. CdS 양자점 증착은 연속적 이온층 흡착 반응법(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction, SILAR)을 이용하였다. 연속적 이온층 흡착반응법은 양이온과 음이온 용액에 기판을 번갈아 담궈서 산화층 표면에 양자점을 형성시키는 방법이다. 우리는 에탄올에 0.1 M의 cadmium nitrate를 희석시킴으로써 Cd2 +용액을 준비했고 메탄올에 0.1 M의 sodium sulfide를 희석시킴으로써 S2 -용액을 준비하였다. 중간에 남은 이온들을 제거하기 위해 에탄올 및 메탄올로 세척하였다. 이 공정은 총 12번 시행하였다.
도 2의 (b)는 본 실시예에 따라 양자점이 증착된 계층구조 이산화티탄 분말을 촬영한 사진이고, 도 2의 (d)는 양자점이 증착된 상용 이산화티탄 분말을 촬영한 사진이다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 양자점이 메조기공을 통해 원활하게 확산되어 계층구조 이산화티탄 분말의 표면에 균일하게 증착되게 된다.
다음으로 도 4와 도 8 및 도 9를 참조하면, 접합 및 전해질 충진 과정이 수행된다.
즉, 단계 S400에서는, 하부 투명전도성 기판(10)과 상부 투명전도성 기판(30)을 접합하고, 이들 사이에 액체 전해질을 충진하는 과정이 수행된다.
하부 투명전도성 기판(10) 상에는 양자점이 흡착되어 있는 다공질 이산화티탄 전극층(20)이 형성되어 있으며, 상부 투명전도성 기판(30) 상에는 상대 환원 전극(40)이 형성되어 있고, 전해질은 상대 환원 전극(40)과 다공질 이산화티탄 전극층(20) 사이의 비어있는 공간에 충진되어 전해질층(50)을 형성한다.
이러한 접합 및 전해질 충진 방식의 구체적인 예를 설명한다.
먼저 상대 환원 전극(40)과 이 상대 환원 전극(40)이 형성되어 있는 상부 투명전도성 기판(30)에 다이아몬드 팁이 장착된 전동 드릴을 이용하여 0.75 mm 내외의 미세구멍을 형성한다. 상대 환원 전극(40)은 상부 투명전도성 기판(30)에 Pt를 코팅하여 형성된다.
광 전극(20)과 상대 환원 전극(40)은 전도성이 있는 면을 마주 보게 하여 배치하고, 열경화성 스페이서인 surlyn(Meltonix 1170-60, Solaronix)을 사용하여 두 전극을 접합한다. 120 ℃ 내외의 온도로 설정된 가열판 위에서 약 1 기압으로 두 전극을 압착한다.
상대 환원 전극(40)에 형성된 미세 기공을 통하여 두 전극 사이의 공간에 전해액을 채운다. 이때 전해액이 채워진 후에는 열경화성 물질인 surlyn을 녹여 미세 구멍을 막아준다. 이 과정을 통해 전해액이 휘발되어 소실되는 문제를 방지할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 감응형 태양전지의 특성을 종래의 경우와 비교 실험한 결과를 설명한다.
본 실시예에 따른 양자점 감응형 태양전지의 광전류-광전압 곡선과 광전변환효율 특성은 1 Sun(100mW/cm2) AM1.5의 솔라 시뮬레이터(Oriel 300 W Xe 램프 및 Keithley 2400)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과는 도 10과 아래 표 1에 정리되어있다. 여기에는 상용 나노 입자 광 전극을 단독으로 사용한 전지(T20)와 본 실시예에 따른 계층구조 TiO2 입자를 포함하는 전지(MS)에 관한 효율 특성이 비교되어 있다.
일반적으로 사용되는 광 전극 구조의 전지(T20)가 1.2 %의 효율을 보이는 반면, 본 실시예에 따른 계층구조 TiO2 입자로 구성된 전지에서는 1.9 %의 고효율을 얻을 수 있다. 결론적으로, 본 실시예에 따른 계층구조 TiO2 입자는 상용 나노입자보다 높은 반사율에 의한 광 산란 특성과, 나노 입자 수준의 높은 비표면적에 의한 광 전류 생산의 효과가 동시에 구현된 광 전극 소재이다. 따라서, 본 실시예에 따른 계층구조 TiO2 입자를 광 전극으로 활용하여 제작된 양자점 감응형 태양전지는 광전변환효율의 향상을 달성할 수 있다.
Sample JSC(mA/m2) VOC(mV) FF(%) η(%)
MS 8.2 577 41 1.9
T20 7.5 547 30 1.2
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 광산란과 광흡수의 두 기능을 동시에 수행할 수 있는 계층구조 이산화티탄 분말 및 그 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 이산화티탄 나노입자의 응집에 의해 형성되는 이산화티탄 집합체의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 계층구조 이산화티탄 분말 및 그 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 광전변환효율이 향상된 양자점 감응형 태양전지가 제공되는 효과가 있다.
또한, 이산화티탄 나노입자들을 응집시켜 이산화티탄 집합체들을 형성하고, 이 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공을 넓게 형성함으로써, 이 메조 기공을 통하여 양자점 형성을 위한 이온들이 용이하게 확산될 수 있고, 양자점 흡착을 위한 표면적이 크게 증가되기 때문에, 태양전지의 광전변환효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 양자점 흡착에 따른 광전류 생산과 기공에 의한 반사 특성에 따른 광산란 효과를 동시에 구현할 수 있게 되어, 양자점 감응형 태양전지의 광전변환효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 하부 투명전도성 기판
20: 다공질 이산화티탄 전극층
30: 상부 투명전도성 기판
40: 상대 환원 전극
50: 전해질층
S10: 다공질 이산화티탄 분말 형성단계
S20: 메조 기공 형성단계

Claims (20)

  1. 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법에 있어서,
    이산화티탄 전구체가 포함된 제1 용액과 상기 이산화티탄 전구체의 가수분해에 필요한 물 분자를 공급하기 위한 제2 용액을 혼합한 상태에서 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 간의 가수분해 반응을 통해 상기 이산화티탄 전구체로부터 이산화티탄 나노입자들을 생성하고, 상기 이산화티탄 나노입자들을 졸겔법을 이용하여 구 형상을 갖는 이산화티탄 집합체들로 응집시켜 비정질 이산화티탄 분말을 형성하는 비정질 이산화티탄 분말 형성단계; 및
    상기 비정질 이산화티탄 분말을 물과 암모니아를 포함하는 용액에 미리 설정된 온도와 시간 동안 침지시켜 수열 반응시킴으로써 상기 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공을 형성하는 메조 기공 형성단계를 포함하는, 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 이산화티탄 전구체는 티타늄 테트라에톡사이드(titanium tetraethoxide)이고,
    상기 제1 용액은 상기 티타늄 테트라에톡사이드와 헥사데실아민(hexadecylamine)을 에탄올에 희석시킨 용액이고,
    상기 제2 용액은 염화나트륨 수용액을 에탄올에 희석시킨 용액인 것을 특징으로 하는, 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 용액의 농도를 조절하여 공급되는 물 분자의 양을 조절함으로써 상기 비정질의 이산화티탄 분말을 구성하는 이산화티탄 집합체의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 용액의 농도를 낮춰 가수분해 반응시간을 늘림으로써 상기 이산화티탄 집합체의 크기를 크게 조절하는 것을 특징으로 하는, 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 용액의 농도를 높여 가수분해 반응시간을 줄임으로써 상기 이산화티탄 집합체의 크기를 작게 조절하는 것을 특징으로 하는, 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 메조 기공 형성단계에서 상기 비정질 이산화티탄 분말이 침지되는 용액에는 에탄올이 추가적으로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는, 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 메조 기공 형성단계에서
    상기 암모니아의 양을 조절함으로써 상기 메조 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법.
  8. 삭제
  9. 양자점 감응형 태양전지 제조방법에 있어서,
    투명전도성 기판 상에 계층구조 이산화티탄 분말로 이루어진 다공질 이산화티탄 전극층을 형성하는 다공질 이산화티탄 전극층 형성단계;
    상기 다공질 이산화티탄 전극층이 형성된 투명전도성 기판을 열처리하여 소성하는 소성단계;
    상기 다공질 이산화티탄 전극층에 양자점 형성용 물질을 흡착시키는 양자점 흡착단계를 포함하여 구성되고,
    상기 계층구조 이산화티탄 분말은
    이산화티탄 전구체가 포함된 제1 용액과 상기 이산화티탄 전구체의 가수분해에 필요한 물 분자를 공급하기 위한 제2 용액을 혼합한 상태에서 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 간의 가수분해 반응을 통해 상기 이산화티탄 전구체로부터 이산화티탄 나노입자들을 생성하고 상기 이산화티탄 나노입자들을 졸겔법을 이용하여 구 형상을 갖는 이산화티탄 집합체들로 응집시켜 비정질 이산화티탄 분말을 형성하는 비정질 이산화티탄 분말 형성단계 및 상기 비정질 이산화티탄 분말을 물과 암모니아를 포함하는 용액에 미리 설정된 온도와 시간 동안 침지시켜 수열 반응시킴으로써 상기 이산화티탄 집합체를 구성하는 이산화티탄 나노입자들 사이에 메조 기공을 형성하는 메조 기공 형성단계를 통해 제조된 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 이산화티탄 전구체는 티타늄 테트라에톡사이드(titanium tetraethoxide)이고,
    상기 제1 용액은 상기 티타늄 테트라에톡사이드와 헥사데실아민(hexadecylamine)을 에탄올에 희석시킨 용액이고,
    상기 제2 용액은 염화나트륨 수용액을 에탄올에 희석시킨 용액인 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 용액의 농도를 조절하여 공급되는 물 분자의 양을 조절함으로써 상기 비정질의 이산화티탄 분말을 구성하는 이산화티탄 집합체의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 용액의 농도를 낮춰 가수분해 반응시간을 늘림으로써 상기 이산화티탄 집합체의 크기를 크게 조절하는 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 용액의 농도를 높여 가수분해 반응시간을 줄임으로써 상기 이산화티탄 집합체의 크기를 작게 조절하는 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 메조 기공 형성단계에서 상기 비정질 이산화티탄 분말이 침지되는 용액에는 에탄올이 추가적으로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는, 계층구조 이산화티탄 분말 제조방법.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 메조 기공 형성단계에서
    상기 암모니아의 양을 조절함으로써 상기 메조 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 다공질 이산화티탄 전극층의 두께는 10㎛ 이상 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  17. 제9 항에 있어서,
    상기 다공질 이산화티탄 전극층은 광 흡수 및 광 산란의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  18. 제9 항에 있어서,
    상기 양자점 흡착단계에서 연속적 이온층 흡착 반응법(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction, SILAR)을 이용하여 상기 양자점 형성용 물질을 상기 다공질 이산화티탄 전극층에 흡착시키는 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  19. 제9 항에 있어서,
    상기 양자점 형성용 물질은 CdS, CdSe, PbS, Ag2S 및 PbSe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 양자점 감응형 태양전지 제조방법.
  20. 삭제
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