KR101356418B1 - 기판에 임베디드된 광전극 구조의 유연 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 속에 TiO2 나노튜브 또는 나노입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 유연 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 기판을 준비하고, 양극산화시킬 부분을 제외한 기판의 나머지 부분을 마스킹하는 단계; 마스킹된 상기 기판을 양극산화시켜 기판 속에 임베디드된 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계; 및 상기 임베디드된 TiO2 나노튜브를 형성한 후, 마스킹을 제거하는 단계; 등을 포함하는 유연 염료감응형 태양전지 제조방법 및 그에 의한 유연 염료감응형 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 유연 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속기판 또는 유리기판 속에 TIO2 나노튜브 또는 나노입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 유연 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 화석에너지의 고갈로 인해 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있는데 그 중에서도 태양에너지를 이용한 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양전지는 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로써, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 이산화티타늄(아나타제 구조) 태양전지가 개발된 이후[B. O'Regen, M. Gratzel, Nature 353, 737(1991)] 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
그라첼 등에 의한 염료감응형 태양전지는, 실리콘 태양전지와 달리, 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 나노 결정성 산화티타늄 입자로 이루어진 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 가시광선의 빛을 받아 염료에서 여기된 전자를 n형 반도체인 산화티타늄으로 전달하고 액체 전해질에 포함되어 있는 I-/I3-의 전기화학적인 산화-환원반응을 통해 염료를 재생시킴으로써 전류를 생성하게 된다.
이러한 염료감응형 태양전지는 기존의 상업적으로 널리 활용되고 있는 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 저렴하고 제조공정이 간단하며 비정질 실리콘 태양전지와 비슷한 에너지 변환 효율을 가져 차세대 태양에너지로 각광받고 있다. 특히, 응용제품을 확대하기 위해 얇고 가벼운 기판을 이용한 유연 염료감응 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 염료감응 태양전지의 경우, 기존의 금속기판 위에 TiO2 나노입자를 형성한 구조를 가지는데, 이런 구조는 기판을 휘었을 경우 소결된 TiO2 나노입자의 부서짐이 발생하는 문제점이 있고, 기존의 유연기판 위에 TiO2 나노튜브 또는 나노입자를 형성한 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 또는 나노입자 구조의 유연 염료감응 태양전지 역시 유연 태양전지의 장점인 기판의 휘어짐에 취약한 단점을 가진다.
또한, 염료감응 태양전지는 염료가 빛을 받아 전자를 발생시키면 이를 산화티타늄(TiO2)이 수집하여 외부 전극에 전달하는 방식으로 전류를 공급하는데, 발생하는 전자를 산화티타늄(TiO2)이 전달하는 과정에서 손실이 일어나 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 기존의 염료감응형 태양전지의 경우, 금속기판이 휘었을 때 소결된 TiO2 나노입자의 부서짐이 발생하는 문제점을 극복하고, 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 구조보다 기판의 휘어짐에 더 강하며, 태양광에 의해 발생한 전하들의 효율적 수송을 위한 직접 경로(direct pathway)를 더 많이 제공하여 산화티타늄(TiO2) 내부의 전자전달이 보다 효과적으로 이루어져, 그 효율을 향상시킬 수 있도록 유연기판 속에 TiO2 나노튜브 또는 나노입자를 형성시킨 임베디드 타입(트렌치 타입)의 유연 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예인 유연 염료감응형 태양전지 제조방법은, 기판을 준비하고, 양극산화시킬 부분을 제외한 기판의 나머지 부분을 마스킹하는 단계; 마스킹된 상기 기판을 양극산화시켜 기판 속에 임베디드된 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계; 및 상기 임베디드된 TiO2 나노튜브를 형성한 후, 마스킹을 제거하는 단계; 를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는, 기판을 준비하고, 양극산화시킬 부분을 제외한 기판의 나머지 부분을 마스킹하는 단계; 마스킹된 상기 기판을 양극산화시켜 기판 속에 임베디드된 TiO2 나노튜브를 형성한 후, 마스킹을 제거하는 단계; 상기 임베디드된 TiO2 나노튜브를 초음파처리로 제거하는 단계; 및 상기 임베디드된 TiO2 나노튜브가 제거된 부분에 TiO2 나노입자를 코팅하는 단계; 를 포함한다. TiO2 나노입자를 코팅하는 방법으로 닥터 블레이드 방식을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 일반적인 유연 염료감응형 태양전지는 서로 대향하는 두 기판과 염료, TiO2 등을 포함하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 염료감응형 태양전지는, 양극산화시킬 부분을 제외한 기판의 나머지 부분을 마스킹하고, 마스킹된 상기 기판을 양극산화시켜 기판 속에 임베디드된 TiO2 나노튜브를 형성한 후, 마스킹을 제거하는 방법에 의해 제조된 TiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 염료감응형 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 염료감응형 태양전지는, 본 발명의 일 실시예의 상기 마스킹을 제거하는 단계 이후에, 상기 임베디드된 TiO2 나노튜브를 초음파처리로 제거한 후, 상기 임베디드된 TiO2 나노튜브가 제거된 부분에 TiO2 나노입자를 코팅하는 방법에 의해 제조된 TiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 염료감응형 태양전지를 제공한다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 유연기판 위에 TiO2 나노튜브가 형성된 구조(스탠딩 타입)인 기존의 염료감응형 태양전지와는 다른, 유연기판 속에 TiO2 나노튜브 또는 나노입자가 형성된 구조(트렌치 타입)의 염료감응형 태양전지를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 유연기판에 임베디드된 타입(트렌치 타입)의 TiO2 나노튜브 구조는, 나노튜브 벽면들이 기판과 붙어있어 기존의 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 구조보다 기판의 휘어짐에 더 강하며, 기판과 붙어있는 나노튜브 벽면 면적의 증가에 따라 전하들을 수집할 면적이 증가되어 효율도 크게 향상되는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 염료감응 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 염료감응 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 구조와 본 발명의 일 실시예에 따른 임베디드 타입(트렌치 타입)의 TiO2 나노튜브 구조에서 전하 수송 경로(charge transport pathway)를 예시적으로 나타낸 전하 흐름도의 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 염료감응형 태양전지의 광전류밀도(J)-전압(V) 특성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 염료감응 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 구조와 본 발명의 일 실시예에 따른 임베디드 타입(트렌치 타입)의 TiO2 나노튜브 구조에서 전하 수송 경로(charge transport pathway)를 예시적으로 나타낸 전하 흐름도의 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 염료감응형 태양전지의 광전류밀도(J)-전압(V) 특성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막 또는 기판의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다. 첨부 도면에서, 막들 및 영역들의 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장된 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 도면에 도시된 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 첨부 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a),(b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 염료감응형 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 염료감응형 태양전지 제조방법을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 금속기판(Ti foil)(101)의 양극산화시 양극산화시킬 부분만 남겨두고 다른 부분은 마스킹 물질(102)로 마스킹한다. 그 후, 양극산화를 진행하면 마스킹이 되지 않은 부분만 양극산화되어 TiO2 나노튜브(103)가 기판 속에 임베디드된 형태로 형성된다. 이 때, TiO2 나노튜브가 중앙부에 형성되도록 금속기판의 가장자리를 따라 마스킹 물질로 마스킹함으로써 임베디드 형태의 TiO2 나노튜브를 형성할 수 있을 것이다.
즉, TiO2 나노튜브(103)를 임베디드시키기 위한 금속기판(Ti foil)(101)에 전압을 걸어주면 금속기판(Ti foil)(101)에서 양극산화가 일어나, TiO2 나노튜브(103) 가 형성된다.
상기 TiO2 나노튜브(103) 형성 후, 마스크를 제거하면 기판 속에 임베디드된 TiO2 나노튜브(103) 구조(트렌치 타입)의 유연 염료감응형 태양전지를 제조할 수 있다.
이때, 상기 마스킹 물질은 포토레지스트(photoresist; 감광제) 또는 케톤 tape일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 염료감응형 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면으로서, 이에 대해 이하에서 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 금속기판(Ti foil)(201)의 양극산화시 양극산화시킬 부분만 남겨두고 다른 부분은 마스킹한다. 그 후, 양극산화를 진행하면 마스킹이 되지 않은 부분만 양극산화되어 TiO2 나노튜브(202)가 기판 속에 임베디드된 형태로 형성되며, 여기까지의 공정은 도 1에서 설명한 바와 같다.
이 후, 형성된 상기 TiO2 나노튜브(202)를 초음파처리로 제거하면 기판 속에 빈 공간(203)이 남게 되는데, 이 공간(203)에 TiO2 나노입자(204)를 코팅하면 기판 속에 임베디드된 TiO2 나노입자(204) 구조를 가지는 (트렌치 타입의)염료감응형 태양전지를 제조할 수 있다.
이때, TiO2 나노튜브(202)가 제거된 빈 공간(203)에 TiO2 나노입자(204)를 코팅하는 방법으로 닥터 블레이드 방식을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 스퀴즈(squeeze)법, 스핀 코팅법, 스크린 인쇄법, 스프레이 도장법, 전착법 및 전사법 등을 사용할 수도 있다.
도 3은 기존의 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 구조와 본 발명의 일 실시예에 따른 임베디드된 타입(트렌치 타입)의 TiO2 나노튜브 구조에서 전하수송경로(charge transport pathway)를 나타낸 전하 흐름도의 예시이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 염료감응형 태양전지의 photocurrent density-voltage(J-V) curve, 즉 광전류밀도(J)-전압(V) 특성을 나타낸 도면이다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유연 염료감응형 태양전지의 효과를 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 3의 (a)와 같은 종래의 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 구조는 기판의 휘어짐에 따라 소결된 TiO2 나노튜브가 부서지기 쉬우나, 도 3의 (b)와 같이 본 발명의실시예에 따른 임베디드된 타입(트렌치 타입)의 TiO2 나노튜브 구조는 TiO2 나노튜브가 기판 속에 위치하여 기판이 휘어지더라도 소결된 TiO2 나노튜브의 부서짐 현상이 거의 발생하지 않게 된다.
한편, 도 3의 (a)를 참조하면, 기존의 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 구조는 금속기판(Ti foil)(301) 위에 TiO2 나노튜브(302)가 형성되어 있어 태양광에 의해 발생한 전하가 금속기판(Ti foil)(301)과 접촉할 수 있는 접촉면적이 좁다.
반면에, 도 3의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임베디드된 타입(트렌치 타입)의 TiO2 나노튜브 구조는 금속기판(Ti foil)(301)에 TiO2 나노튜브(303)가 임베디드된 형태여서 TiO2 나노튜브(303)의 측벽(side-wall)과 금속기판(Ti foil)(301)과의 접촉면적이 넓다. 이로 인해 태양광에 의해 발생한 전하들의 수송경로가 많아져 전하 수집(charge collection) 효율이 크게 증가됨과 동시에 입사광의 가둠(confinement) 효과가 발생하여 단락 전류(Jsc)의 향상에 기여하게 되어 소자효율의 상승을 가져온다.
도 4의 광전류밀도(J)-전압(V) 그래프에서, 기울기가 커질수록 충밀계수(fill factor, FF)가 커짐을 의미한다. 충밀계수(충실도라고도 함)와 광전효율 간의 관계는 하기 식과 같다.
Jsc는 단락전류(Short-Circuit Current)로 Voc=0 일 때의 전류이다. Voc는 개방전압(Open-Circuit Volt)로 Jsc=0일 때의 전압이다.
상기 식에서, 충밀계수(Fill factor) 는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와 Jsc의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 fill factor는 빛이 가해진 상태에서 J-V곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 지표로서, 곡선 안쪽 면적과 광전변화효율은 비례관계에 있다. 즉, 곡선 안쪽 면적이 클수록 효율이 염료감응형 태양전지의 효율이 높다.
도 4를 참조하면, 임베디드된 타입(트렌치 타입)의 TiO2 나노튜브 구조(실시예)의 소자효율(5.28%)이 기존의 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 구조(비교예)의 소자효율(3.74%)보다 약 40%정도 크게 증가한 것을 볼 수 있는데, 이는 상기에서 언급한 바와 같이 TiO2 나노튜브와 금속기판(Ti foil)과의 넓은 접촉면적으로 인한 많은 전하수송경로에 의해 전하 수집(charge collection) 효율 및 입사광의 가둠(confinement) 효과가 일어나고, 그 결과 단락 전류(Jsc)가 향상되었기 때문이다.
광전류밀도(J)-전압(V) 곡선으로부터 단락 전류(Jsc), 개방 전압(Voc), 충밀 계수(fill factor, FF) 및 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE)을 하기 표 1에 나타내었다.
표 1에서, 비교예는 기존의 유연기판(Ti foil) 위에 형성된 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브(~9㎛) 구조의 유연 염료감응형 태양전지이고, 실시예는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연기판(Ti foil) 속에 임베디드된 타입(트렌치 타입)의 TiO2 나노튜브(~9㎛) 구조의 유연 염료감응형 태양전지이다.
표 1을 참조하면, 유연기판 속에 임베디드된 타입의 TiO2 나노튜브(~9㎛) 구조의 유연 염료감응형 태양전지가 기존의 유연기판 위에 형성된 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브(~9㎛) 구조의 유연 염료감응형 태양전지에 비해 광전류밀도와 셀의 광전변환효율이 개선되었음을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101: 금속기판(Ti foil) 102: 마스킹 물질
103: TiO2 나노튜브 201: 금속기판(Ti foil)
202: TiO2 나노튜브 203: TiO2 나노튜브가 제거된 빈 공간
204: TiO2 나노입자 301: 금속기판(Ti foil)
302: 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 303: 트렌치 타입의 TiO2 나노튜브
103: TiO2 나노튜브 201: 금속기판(Ti foil)
202: TiO2 나노튜브 203: TiO2 나노튜브가 제거된 빈 공간
204: TiO2 나노입자 301: 금속기판(Ti foil)
302: 스탠딩 타입의 TiO2 나노튜브 303: 트렌치 타입의 TiO2 나노튜브
Claims (5)
- 금속기판(Ti foil)의 가장자리를 포토레지스트 또는 케톤 테입의 마스킹 물질로 마스킹하는 단계;
마스킹된 상기 금속기판에 전류를 흘려주어 양극산화시킴으로써 마스킹된 부분 이외의 영역에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계; 및
상기 마스킹 물질을 제거하여 임베디드된 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계;를 포함하는, TiO2가 임베디드된 유연 염료감응형 태양전지 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 임베디드된 TiO2 나노튜브를 초음파처리로 제거하는 단계; 및
상기 임베디드된 TiO2 나노튜브가 제거된 부분에 TiO2 나노입자를 코팅하는 단계;를 더 포함하는, TiO2가 임베디드된 유연 염료감응형 태양전지 제조방법. - 제 2항에 있어서,
상기 TiO2 나노입자는 닥터 블레이드 방식, 스퀴즈(squeeze)법, 스핀 코팅법, 스크린 인쇄법, 스프레이 도장법, 전착법 또는 전사법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 염료감응형 태양전지 제조방법. - 기판, 염료 및 나노 반도체 산화물을 포함하는 유연 염료감응형 태양전지에 있어서,
상기 나노 반도체 산화물은 제 1항의 제조방법에 의해 형성된 임베디드 TiO2 나노튜브인 것을 특징으로 하는 유연 염료감응형 태양전지. - 기판, 염료 및 나노 반도체 산화물을 포함하는 유연 염료감응형 태양전지에 있어서,
상기 나노 반도체 산화물은 제 2항 또는 제 3항의 제조방법에 의해 형성된 임베디드 TiO2 나노입자인 것을 특징으로 하는 유연 염료감응형 태양전지.
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