KR101359440B1 - 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

Pb, Hg, 및 S를 동시에 포함하는 무기 염료를 감광성 염료로서 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL, AND PREPARING METHOD OF THE SAME}
본원은, Pb, Hg, 및 S를 동시에 포함하는 무기 염료를 감광성 염료로서 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 도구로서, 이미 우리 생활에 널리 이용되고 있는 실리콘 태양전지가 대표적이며, 최근 차세대 태양전지로서 염료감응 태양전지가 연구되고 있다. 염료감응 태양전지는 기종의 실리콘 태양전지에 비해 효율이 높고 제조 단가가 현저히 낮아 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있는 광 전기화학적인 태양전지이다.
염료감응 태양전지는, 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의하여 발표된 것이 대표적이다 (미국등록특허 제 5,350,644 호 "Photovoltaic cells" 참조). 구조적인 측면에서, 염료감응 태양전지의 두 전극 중 하나의 전극은 감광성 염료가 흡착되어 있는 반도체층이 형성된 전도성 투명 기재를 포함하는 광전극이며, 두 전극 사이의 공간에는 전해질이 채워져 있다.
염료감응 태양전지의 작동 원리를 살펴보면, 태양에너지가 전극의 반도체층에 흡착된 감광성 염료에 흡수됨으로써 광전자가 발생하며, 상기 광전자는 반도체층을 통해 전도되어 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기재에 전달되고, 전자를 잃어 산화된 염료는 전해질에 포함된 산화·환원 쌍에 의해 환원된다. 한편, 외부 전선을 통하여 반대편 전극인 상대 전극에 도달한 전자는 산화된 전해질의 산화·환원 쌍을 다시 환원시킴으로써 태양전지의 작동 과정을 완성한다.
한편, 염료감응 태양전지의 경우 기존 태양전지에 비해, 반도체|염료 계면, 반도체|전해질 계면, 반도체|투명 전극 계면, 전해질|상대 전극 계면 등, 여러 계면을 포함하고 있으며, 각각의 계면에서의 물리·화학적 작용을 이해하고 조절하는 것이 염료감응 태양전지 기술의 핵심이다. 또한, 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율은 태양에너지 흡수에 의해 생성된 광전자의 양에 비례하며, 많은 양의 광전자를 생성하기 위해서는 염료분자의 흡착량을 증가시킬 수 있는 구조를 포함하는 광전극의 제조가 요구되고 있다.
한편, 염료감응 태양전지에 사용되는 염료로는 일반적으로 루테늄(Ru) 금속 착체가 널리 사용되어 왔다. 예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-0578798호 "염료감응 태양전지 및 그 제조 방법"에서는 루테늄을 감광성 염료로서 포함하는 염료감응 태양전지에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 상기 루테늄 금속 착체는 가격이 너무 비싸고 정제하기 어렵다는 단점이 있었다. 또한, 루테늄 금속을 포함하는 유기 염료는 반도체층에 흡착하는데 최소 2 시간에서 길게는 24 시간까지의 긴 흡착 시간이 필요하여, 제조 공정에 소요되는 시간이 길어진다는 문제점이 있었다. 또한, 루테늄 금속을 포함하는 유기 염료의 경우, 약 800 nm 이상의 빛을 흡수할 수 없기 때문에 장파장 영역의 빛을 활용하지 못하게 됨으로써 광전류 개선에 한계가 존재하였다.
본 발명자들은, Pb, Hg, 및 S를 동시에 포함하는 염료를 제조하여 염료감응 태양전지에 이를 적용할 경우, 흡수 파장 확장에 따른 상기 염료감응 태양전지의 효율 증대, 제조 공정에 소요되는 시간 단축 및 이에 따른 제조 단가 절감 등의 유리한 효과를 기대할 수 있음을 발견하여 본원을 완성하였다.
이에, 본원은, 전도성 투명 기재 상에 형성된 광흡수층을 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 대향되는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는 것인 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1] Pb1 - xHgxS
상기 화학식 1에서, 상기 x는 약 0 초과 내지 약 1 미만의 값이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재 상에 형성된 광흡수층을 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 대향되는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지를 제공한다:
[화학식 1] Pb1 - xHgxS
상기 화학식 1에서, 상기 x는 약 0 초과 내지 약 1 미만의 값이다.
본원의 제 2 측면은, 전도성 투명 기재 상에 반도체층을 형성하는 것; 상기 반도체층에 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 흡착시켜 광흡수층을 형성함으로써, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 상기 광흡수층을 포함하는 제 1 전극을 제조하는 것; 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 대향 조립하는 것; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전해질을 주입하는 것을 포함하는, 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1] Pb1 - xHgxS
상기 화학식 1에서, 상기 x는 약 0 초과 내지 약 1 미만의 값이다.
본원의 염료감응 태양전지는 종래의 염료감응 태양전지와는 달리 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료가 아닌 Pb, Hg, 및 S를 동시에 포함하는 무기 염료를 사용한 것으로서, 종래의 염료감응 태양전지에서 염료에 의해 야기되었던 문제점들을 해결한 것이다.
이와 관련하여, 종래의 염료감응 태양전지에서는 일반적으로 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료를 감광성 염료로서 이용하였으나, 이 경우 광흡수 파장대가 약 800 nm 이하로 제한되어 장파장 영역의 빛을 활용하지 못하게 됨으로써 광전류를 개선하는데 제한이 있다는 문제점이 있었다. 또한, 상기 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료는 루테늄 금속 원료 가격이 고가이므로 염료 가격 또한 고가일 수 밖에 없다는 문제점이 있었다. 또한, 상기 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료는 금속 산화물 표면에 흡착됨으로써 염료감응 태양전지의 광흡수층을 형성하게 되는데, 상기 흡착 공정에 짧게는 약 2 시간에서 길게는 약 24 시간이 소요되는 바, 제조 공정을 단축하는 것이 어려우며 이에 따라 제조 단가가 상승한다는 문제점이 있었다.
이에 반해, 상기 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료 대신 본원의 상기 화학식 1로써 표시되는 염료를 이용할 경우, 보다 넓은 파장 영역의 빛, 예를 들어 약 1400 nm의 장파장 영역에 이르는 빛을 흡수하는 것이 가능하다. 이에 따라 매우 높은 광전류를 생성할 수 있고 이에 따라 궁극적으로는 염료감응 태양전지의 효율 개선이 가능하다는 이점이 있다.
또한, 본원의 상기 화학식 1로써 표시되는 화합물을 감광성 염료로서 포함하는 염료감응 태양전지는 그 제조 과정 중 염료 흡착 공정이 상온에서 짧은 시간 내에 용이하게 수행될 수 있는 바, 비교적 저렴하고 용이하게 제조할 수 있고 제조 공정 시간의 단축 또한 가능하여, 시간 및 비용의 측면에서 유리한 효과가 있다.
또한, 본원의 염료감응 태양전지는, 상기 화학식 1로써 표시되는 염료에 포함되는 Pb, Hg, 및 S의 상대적인 함량을 조절함으로써 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있고, 상기 염료가 흡착되는 반도체층의 두께를 조절함으로써 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 염료가 흡착되는 반도체층을 다양한 크기의 나노 입자가 적층된 형상으로 형성함으로써 상기 염료가 흡착될 수 있는 표면적을 극대화하여 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 층상구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따라 염료감응 태양전지에 포함되는 염료를 제조하기 위해 이용되는 Hg-함유 전구체 용액의 농도를 다양화하였을 때 이에 따른 광전류-전압 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따라 염료감응 태양전지에 포함되는 반도체층의 두께를 다양화하였을 때 이에 따른 광전류-전압 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따라 다양한 크기의 금속 산화물의 나노 입자를 적층하여 염료감응 태양전지에 포함되는 반도체층을 형성한 경우의 광전류-전압 특성 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따라 다양한 크기의 금속 산화물 나노입자를 적층하여 염료감응 태양전지에 포함되는 반도체층을 형성한 경우의 파장에 따른 외부 양자 효율(EQE; External Quantum Efficiency) 그래프를 나타낸 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재 상에 형성된 광흡수층을 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 대향되는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지를 제공한다:
[화학식 1] Pb1 - xHgxS
상기 화학식 1에서, 상기 x는 약 0 초과 내지 약 1 미만의 값이다.
예를 들어, 상기 x는 약 0 초과 내지 약 0.2 이하, 약 0 초과 내지 약 0.4 이하, 약 0 초과 내지 약 0.6 이하, 약 0 초과 내지 약 0.8 이하, 약 0 초과 내지 약 1 미만, 약 0.2 이상 내지 약 0.4 이하, 약 0.2 이상 내지 약 0.6 이하, 약 0.2 이상 내지 약 0.8 이하, 약 0.2 이상 내지 약 1 미만, 약 0.4 이상 내지 약 0.6 이하, 약 0.4 이상 내지 약 0.8 이하, 약 0.4 이상 내지 약 1 미만, 약 0.6 이상 내지 약 0.8 이하, 약 0.6 이상 내지 약 1 미만, 또는 약 0.8 이상 내지 약 1 미만의 값일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 x는 약 0 초과 내지 약 0.5 이하의 값일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 x 값의 범위에는 0과 1은 각각 포함되지 않으며, 이에 따라 본원의 염료감응 태양전지의 염료는 Pb, Hg, 및 S를 동시에 모두 포함하는 것이고, 이로써 종래의 루테늄계 염료를 포함하는 염료감응 태양전지의 문제점들을 해소한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 투명 기재는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 투명 기재는 전도성 및 투명성을 가지는 물질이라면 특별히 제한됨 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 기재로서 ITO를 이용할 경우 비용 절감에 도움이 될 수 있고, 상기 전도성 투명 기재로서 주석계 산화물 중 하나인 SnO2를 이용할 경우 투명성 및 내열성이 우수하다는 이점이 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 전도성 투명 기재에 포함되는 상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly(ethylene terephthalate): PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(poly(ethylene naphthalate): PEN), 폴리카보네이트(Poly Carbonate: PC), 폴리프로필렌(Polypropylene: PP), 폴리이미드(Polyimide: PI), 트리아세틸셀룰로오스(Tri-acetyl cellulose: TAC), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 전도성 투명 기재는 3 족 금속, 예를 들어, Al, Ga, In, Ti, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 도핑될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 염료감응 태양전지는 상기 전도성 투명 기재 상에 재결합 방지 버퍼층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 기재 상에 약 0.1 M 농도의 Ti(IV) 비스(에틸아세토아세테이트)-디이소프로폭사이드를 코팅하고 열처리 함으로써 상기 재결합 방지 버퍼층의 역할을 수행하는 TiO2 박막을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 재결합 방지 버퍼층은 상기 염료감응 태양전지에 선택적으로 포함될 수 있는 부분으로서, 상기 TiO2 박막 이외에도 다양한 물질들이 상기 재결합 방지 버퍼층의 구성 물질로서 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 반도체층은 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은, 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 반도체층은, TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체층으로서 아나타제 형의 TiO2를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 염료감응 태양전지에서 사용 가능한 반도체층 형성용 물질이 상기 열거한 금속 산화물에 제한되는 것은 아니다. 또한, 1 가지 금속 산화물을 반도체층으로서 사용하거나, 또는 2 가지 이상의 금속 산화물을 혼합하여 반도체층으로서 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 반도체층은 반도체 미립자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체 미립자의 표면적을 크게 함으로써, 상기 반도체층에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하여 염료감응 태양전지의 효율 향상을 도모할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체 미립자는 표면적을 크게 하기 위하여 약 50 nm 이하의 평균 입자 직경을 가지는 것일 수 있으며, 예를 들어, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 25 nm, 약 5 nm 내지 약 35 nm, 약 5 nm 내지 약 50 nm, 약 15 nm 내지 약 25 nm, 약 15 nm 내지 약 35 nm, 약 15 nm 내지 약 50 nm, 약 25 nm 내지 약 35 nm, 약 25 nm 내지 약 50 nm, 또는 약 35 nm 내지 약 50 nm의 평균 입자 직경을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체 미립자의 평균 입자 직경은 약 15 nm 내지 약 25 nm 정도가 적절한 것일 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 금속 산화물의 나노 입자를 적층하여 형성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 반도체층을 형성하기 위하여 적층되는 상기 금속 산화물의 나노 입자의 크기는 모두 일정한 것에 제한되는 것이 아니며, 다양한 크기의 상기 금속 산화물의 나노 입자가 적층되어 상기 반도체층을 형성함으로써 궁극적으로 표면적 증대 및 상기 염료감응 태양전지의 효율 향상을 도모할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체층은 약 20 nm 크기의 TiO2 입자, 약 40 nm 크기의 TiO2 입자, 및 500 nm 크기의 TiO2 입자 등 다양한 크기의 금속 산화물 나노입자들을 적층하여 적정 두께, 예를 들어, 총 20 μm 두께로 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 약 0 μm 초과 내지 약 40 μm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체층은 약 0 μm 초과 내지 약 5 μm 이하, 약 0 μm 초과 내지 약 10 μm 이하, 약 0 μm 초과 내지 약 20 μm 이하, 약 0 μm 초과 내지 약 30 μm 이하, 약 0 μm 초과 내지 약 40 μm 이하, 약 5 μm 이상 내지 약 10 μm 이하, 약 5 μm 이상 내지 약 20 μm 이하, 약 5 μm 이상 내지 약 30 μm 이하, 약 5 μm 이상 내지 약 40 μm 이하, 약 10 μm 이상 내지 약 20 μm 이하, 약 10 μm 이상 내지 약 30 μm 이하, 약 10 μm 이상 내지 약 40 μm 이하, 약 20 μm 이상 내지 약 30 μm 이하, 약 20 μm 이상 내지 약 40 μm 이하, 또는 약 30 μm 이상 내지 약 40 μm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층은 상기 염료감응 태양전지에 반드시 포함되는 부분이지만, 그 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터에 이르는 다양한 두께의 반도체층이 상기 염료감응 태양전지에 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층의 두께가 증가됨에 따라 상기 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율이 선형적으로 비례하여 증가되거나 감소되는 것은 아니며, 예를 들어, 본원의 실시예의 실험에서는 상기 반도체층으로서 TiO2를 사용했을 경우 약 10.5 μm 두께의 TiO2를 상기 반도체층으로서 상기 염료감응 태양전지에 포함시켰을 때 가장 높은 에너지 전환효율이 기록되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 실험 조건 및 상기 반도체층으로서 사용된 금속 산화물의 종류에 따라 상기 반도체층의 최적 두께, 및 이에 따른 최고의 에너지 전환효율이 달라질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 본원의 제 1 측면의 염료감응 태양전지에서 상기 반도체층과 함께 광흡수층을 형성하는 감광성 염료는 하기 화학식 1로써 표시되는 것일 수 있다:
[화학식 1] Pb1 - xHgxS
상기 화학식 1에서, 상기 x는 약 0 초과 내지 약 1 미만의 값이다.
이와 관련하여 종래의 염료감응 태양전지에서는 일반적으로 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료를 감광성 염료로서 이용하였으나, 이 경우 광흡수 파장대가 약 800 nm 이하로 제한되어 장파장 영역의 빛을 활용하지 못하게 됨으로써 광전류를 개선하는데 제한이 있다는 문제점이 있었다. 또한, 상기 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료는 루테늄 금속 원료 가격이 고가이므로 염료 가격 또한 고가일 수 밖에 없다는 문제점이 있었다. 또한, 상기 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료는 금속 산화물 표면에 흡착됨으로써 염료감응 태양전지의 광흡수층을 형성하게 되는데, 상기 흡착 공정에 짧게는 약 2 시간에서 길게는 약 24 시간이 소요되는 바, 제조 공정을 단축하는 것이 어려우며 이에 따라 제조 단가가 상승한다는 문제점이 있었다.
이에 반해, 상기 루테늄 금속 착체를 포함하는 유기 염료 대신 본원의 상기 화학식 1로써 표시되는 염료를 이용할 경우, 보다 넓은 파장 영역의 빛을 흡수하는 것이 가능하여 매우 높은 광전류를 생성할 수 있고 이에 따라 궁극적으로는 염료감응 태양전지의 효율 개선이 가능하며, 비교적 저렴하고 용이하게 제조할 수 있고 제조 공정 시간의 단축 또한 가능하여 시간 및 비용의 측면에서 유리한 효과가 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 화학식 1로써 표시되는 염료는 Pb, Hg, 및 S를 동시에 포함하는 무기 나노 결정일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
특히, 광전류 개선과 관련하여, 본원의 제 1 측면에 따른 상기 화학식 1로써 표시되는 염료를 감광성 염료로서 포함하는 염료감응 태양전지를 이용할 경우, 종래의 염료감응 태양전지와 전해질 종류 등 다른 조건을 모두 동일하게 하였을 때 약 26.64 mA/cm2의 광전류를 생성할 수 있고, 이에 따라 약 5.39%의 에너지 전환효율을 기대할 수 있는 바, 종래 기술에 비해 약 90% 이상 개선된 광전류 및 에너지 전환효율을 가지게 된다는 유리한 효과가 있다. 또한, 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지가 생성할 수 있는 광전류, 및 이에 따른 에너지 전환효율 값은 상기 예시적인 수치에 제한되는 것은 아니며, 이보다 더 많은 광전류의 생성, 및 더 높은 에너지 전환효율의 달성도 가능할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 염료는 약 0 mM 초과 내지 약 10 mM 이하의 Hg-함유 전구체 용액을 이용하여 제조하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 염료는 약 0 mM 초과 내지 약 2 mM 이하, 약 0 mM 초과 내지 약 5 mM 이하, 약 0 mM 초과 내지 약 8 mM 이하, 약 0 mM 초과 내지 약 10 mM 이하, 약 2 mM 이상 내지 약 5 mM 이하, 약 2 mM 이상 내지 약 8 mM 이하, 약 2 mM 이상 내지 약 10 mM 이하, 약 5 mM 이상 내지 약 8 mM 이하, 약 5 mM 이상 내지 약 10 mM 이하, 또는 약 8 mM 이상 내지 약 10 mM 이하의 Hg-함유 전구체 용액을 이용하여 제조하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Hg-함유 전구체 용액의 농도가 증가됨에 따라 상기 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율이 선형적으로 비례하여 증가되거나 감소되는 것은 아니며, 예를 들어, 본원의 실시예의 실험에서는 Hg-함유 전구체 용액으로서 HgCl2를 사용했을 경우 약 6 mM의 HgCl2를 이용하여 상기 염료를 제조했을 때 가장 높은 에너지 전환효율이 기록되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 실험 조건 및 상기 Hg-함유 전구체 용액의 종류에 따라 상기 Hg-함유 전구체 용액의 최적 농도, 및 이에 따른 최고의 에너지 전환효율이 달라질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 Hg-함유 전구체 용액은 HgCl2, Hg(NO3)2, 또는 HgBr2일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 본원의 제 1 측면의 염료감응 태양전지에 포함되는 상기 광흡수층은 상기 반도체층에 상기 염료가 흡착된 것을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 염료 상에는 추가적으로 재결합 방지층이 형성되어 상기 염료감응 태양전지의 일부로서 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 재결합 방지층은 큰 밴드갭 에너지를 가지는 층으로서, 상기 염료에서 생성된 전자가 전해질과 재결합하여 손실되는 것을 방지하여 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 향상시키기 위한 목적으로 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 재결합 방지층은 ZnS, ZnSe, CdS, 또는 CdSe를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 큰 밴드갭 에너지를 가지는 다양한 화합물이 상기 재결합 방지층에 포함될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Zn, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 안정성이 높은 금속인 Au를 상기 제 2 전극으로서 이용함으로써, 본원의 염료감응 태양전지의 장기안정성을 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 2 전극, 즉 상대 전극으로서는 도전성 물질이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 절연성의 물질이라도 상기 제 1 전극과 마주보고 있는 부분에만 도전층이 형성되어 있다면 이를 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재, 즉 전도성 투명 기재의 일면에 도전층을 형성하여 상기 도전층이 상기 제 1 전극과 마주보도록 하는 경우, 이를 상기 제 2 전극으로서 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 도전층은 Pt, Au, Ni, Cu, Zn, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전층을 상기 전도성 투명 기재의 이면에 형성하기 위한 방법으로는 전해 도금, 스퍼터링, 전자빔 증착법 등과 같은 물리기상증착(PVD) 방법을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제 2 전극은 구리/아연 합금 기재를 이용하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 구리/아연 합금 기재를 염산 등의 산 용액을 이용하여 일부 식각함으로써 표면으로 상기 합금 기재에 포함된 구리 부분이 일부 노출되도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전극은 금속 황화물이 코팅된 합금 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 황화물은 CoS, NiS, CuS, 또는 Cu2S를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 전극으로서 산 용액 처리하여 일부 구리가 표면에 노출된 구리/아연 합금 기재를 사용하는 경우, 상기 기재 상에 황 이온을 포함하는 용액을 적하하여 노출된 구리 부분과 상기 용액 내의 황 이온의 반응으로 인해 금속 황화물인 황화 구리가 형성되도록 함으로써, 상기 제 2 전극으로서 상기 금속 황화물이 코팅된 합금 기재가 형성되도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 황 이온을 포함하는 용액은 약 1 M의 Na2S와 약 1 M의 S의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 전극에 코팅된 상기 금속 황화물은 산화·환원 반응의 촉매제 역할을 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1 측면과 관련하여, 도 1은 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지의 층상구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본원의 염료감응 태양전지는, 전도성 투명 기재(1) 상에 형성된 반도체층(5) 및 염료(4)를 포함하는 제 1 전극, 상기 제 1 전극에 대향되는 제 2 전극(2), 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 전해질(6), 및 상기 전해질의 누액을 방지하기 위해 이용되는 봉지제(3)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 봉지제(3)로는, 예를 들어, 밀봉용 테이프인 캡톤(captone) 테이프를 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제 1 전극은 작업 전극(working electrode) 또는 반도체 전극으로서 표현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 2 전극(2)은 상대 전극(counter electrode)으로서 표현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 전극에 포함되는 광흡수층에는 반도체층(5), 및 상기 반도체층에 흡착되며 가시광선 흡수로 인해 전자가 여기되는 감광성 염료(4)가 포함되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체층(5)은 상기 감광성 염료(4) 흡착을 위한 표면적을 증가시키기 위하여 다공성 구조가 되도록 형성한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 전도성 투명 기재(1)와 상기 반도체층(5) 사이에는 재결합 방지 버퍼층(미도시)이 추가적으로 형성되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 재결합 방지 버퍼층으로는, 예를 들어, TiO2 박막을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 염료감응 태양전지의 작동원리를 예시적으로 간략하게 설명하면, 염료감응 태양전지 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층 내의 감광성 염료(4) 분자에 흡수되고, 이에 따라 염료(4) 분자는 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이하여 전자-홀쌍을 만들며, 상기 여기 상태의 전자는 반도체 미립자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입될 수 있다. 상기 주입된 전자는 계면을 통해 제 1 전극으로 전달되고, 이후 외부 회로를 통해 대향하고 있는 상대 전극인 제 2 전극(2)으로 이동할 수 있다. 한편, 전자 전이 결과 산화된 염료(4)는 전해질(6) 내에서 환원되고, 전해질(6) 내에서 산화된 이온은 전하 중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제 2 전극(2)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료감응 태양전지가 작동할 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 전도성 투명 기재 상에 반도체층을 형성하는 것; 상기 반도체층에 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 흡착시켜 광흡수층을 형성함으로써, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 상기 광흡수층을 포함하는 제 1 전극을 제조하는 것; 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 대향 조립하는 것; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전해질을 주입하는 것을 포함하는, 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1] Pb1 - xHgxS
상기 화학식 1에서, 상기 x는 약 0 초과 내지 약 1 미만의 값이다.
본원의 제 2 측면은 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 염료감응 태양전지의 일반적인 제조 방법은 당해 기술분야에 널리 알려져 있는 것으로서 당업자에게 충분히 이해될 수 있는 내용이므로, 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서 생략하도록 한다. 다만, 본원의 제 2 측면의 고유한 특징이 포함될 수 있는 상기 광흡수층을 형성하는 공정에 대해서는 이하 상세히 설명하였다.
여기에서 상기 광흡수층은, 본원의 제 1 측면에서와 마찬가지로 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는 것일 수 있으며, 하기 화학식 1에서 x는 약 0 초과 내지 약 1 미만의 값이다:
[화학식 1] Pb1 - xHgxS
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은, TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 금속 산화물의 나노 입자를 적층하여 형성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 반도체층을 형성하기 위하여 적층되는 상기 금속 산화물의 나노 입자의 크기는 모두 일정한 것에 제한되는 것이 아니며, 다양한 크기의 상기 금속 산화물의 나노 입자가 적층되어 상기 반도체층을 형성함으로써 궁극적으로 표면적 증대 및 상기 염료감응 태양전지의 효율 향상을 도모할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광흡수층을 형성하기 위하여, 우선 상기 제 1 전극에 포함되는 상기 전도성 투명 기재의 이면에 반도체층을 형성할 수 있다. 상기 반도체층을 형성하는 것은, 예를 들어, 반도체 미립자를 포함하는 페이스트를 상기 전도성 투명 기재의 이면에 코팅하고 열처리함으로써 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서 상기 열처리는, 예를 들어, 바인더를 첨가한 경우에는 약 400℃ 내지 약 600℃에서 약 30분 정도 가열되는 것일 수 있고, 또는 바인더를 첨가하지 않은 경우에는 약 200℃ 이하의 온도에서 가열되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 반도체층은 닥터 브레이드, 스크린 프린트, 스핀 코팅, 또는 스프레이 방법으로 상기 전도성 투명 기재 상에 형성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층을 형성하기 위하여 어떤 방법을 선택하는지에 따라, 상기 반도체층을 형성하기 위해 원료로서 사용되는 상기 반도체 미립자를 포함하는 페이스트에 요구되는 물성이 조금씩 달라질 수 있다. 상기 반도체층을 형성하기 위해 사용 가능한 방법은 상기 열거한 방법들에 제한되는 것은 아니며, 기타 일반적인 습식 코팅 방법 등도 적용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 약 0 μm 초과 내지 약 40 μm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체층은 약 0 μm 초과 내지 약 5 μm 이하, 약 0 μm 초과 내지 약 10 μm 이하, 약 0 μm 초과 내지 약 20 μm 이하, 약 0 μm 초과 내지 약 30 μm 이하, 약 0 μm 초과 내지 약 40 μm 이하, 약 5 μm 이상 내지 약 10 μm 이하, 약 5 μm 이상 내지 약 20 μm 이하, 약 5 μm 이상 내지 약 30 μm 이하, 약 5 μm 이상 내지 약 40 μm 이하, 약 10 μm 이상 내지 약 20 μm 이하, 약 10 μm 이상 내지 약 30 μm 이하, 약 10 μm 이상 내지 약 40 μm 이하, 약 20 μm 이상 내지 약 30 μm 이하, 약 20 μm 이상 내지 약 40 μm 이하, 또는 약 30 μm 이상 내지 약 40 μm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층은 상기 염료감응 태양전지에 반드시 포함되는 부분이지만, 그 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터에 이르는 다양한 두께의 반도체층이 상기 염료감응 태양전지에 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층의 두께가 증가됨에 따라 상기 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율이 선형적으로 비례하여 증가되거나 감소되는 것은 아니며, 예를 들어, 본원의 실시예의 실험에서는 상기 반도체층으로서 TiO2를 사용했을 경우 약 10.5 μm 두께의 TiO2를 상기 반도체층으로서 상기 염료감응 태양전지에 포함시켰을 때 가장 높은 에너지 전환효율이 기록되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 실험 조건 및 상기 반도체층으로서 사용된 금속 산화물의 종류에 따라 상기 반도체층의 최적 두께, 및 이에 따른 최고의 에너지 전환효율이 달라질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 다공성 구조인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은, 상기 전도성 투명 기재 상에 금속 산화물과 고분자의 혼합물을 도포하고 열처리 함으로써 형성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 열처리로 인하여 상기 금속 산화물과 고분자의 혼합물 중 상기 고분자 부분은 제거되고 상기 금속 산화물 부분만 남게 되어, 결과적으로 상기 반도체층이 다공성 구조를 가지도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층이 다공성 구조를 가지도록 하기 위해서는, 상기 구현예에서 예시적으로 제공하는 방법 이외에도 다양한 방법을 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자는, 에틸렌셀룰로오스(EC), 하이드록시프로필셀룰로오스(HPC), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층 상에 도포하기 위한 상기 고분자는 위에 열거한 고분자들에 제한되는 것은 아니며, 열처리를 수행한 후 유기물이 잔존하지 않는 고분자를 다양하게 선택하여 사용할 수 있다. 상기 고분자를 선택할 때, 도포 방법을 포함한 도포 조건을 고려하여 적절한 분자량을 가지는 고분자를 선택하여 이용하는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 염료감응 태양전지의 제조 방법은 상기 반도체층 상에 고분자를 도포하고 열처리하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층 상에 고분자를 도포하고 열처리함으로써 상기 반도체층의 다공성을 더욱 증가시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 반도체층 상에 고분자를 도포함으로써 반도체층에 포함되는 반도체 미립자들의 분산성 향상, 점도 증가로 인한 성막성 향상, 및 기재와 반도체층의 부착력 향상 등의 효과도 기대할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 열처리 온도는 약 400℃ 내지 약 500℃, 약 400℃ 내지 약 600℃, 또는 약 500℃ 내지 약 600℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 고분자로는 앞서 본원의 일 구현예를 설명하기 위하여 예시적으로 열거한 고분자들, 예를 들어, 에틸렌셀룰로오스, 하이드록시프로필셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 방법에 따라 상기 전도성 투명 기재를 상에 반도체층을 형성한 뒤에는, 상기 반도체층에 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 흡착시킴으로써 상기 광흡수층을 형성할 수 있으며, 하기 화학식 1에서 x는 약 0 초과 내지 약 1 미만의 값이다:
[화학식 1] Pb1 - xHgxS
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광흡수층을 형성하는 것은, 상기 반도체층을 Pb-함유 전구체 용액, Hg-함유 전구체 용액, 및 S-함유 전구체 용액에 각각 담지하는 것을 반복 수행함으로써 상기 염료를 흡착시키는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 Pb-함유 전구체 용액은 PbCl2, PbBr2, 또는 Pb(CH3COO)2를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 Hg-함유 전구체 용액은 HgCl2, Hg(NO3)2, 또는 HgBr2를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 Hg-함유 전구체 용액은 약 0 mM 초과 내지 약 10 mM 이하인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 Hg-함유 전구체 용액은 약 약 0 mM 초과 내지 약 2 mM 이하, 약 0 mM 초과 내지 약 5 mM 이하, 약 0 mM 초과 내지 약 8 mM 이하, 약 0 mM 초과 내지 약 10 mM 이하, 약 2 mM 이상 내지 약 5 mM 이하, 약 2 mM 이상 내지 약 8 mM 이하, 약 2 mM 이상 내지 약 10 mM 이하, 약 5 mM 이상 내지 약 8 mM 이하, 약 5 mM 이상 내지 약 10 mM 이하, 또는 약 8 mM 이상 내지 약 10 mM 이하인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Hg-함유 전구체 용액의 농도가 증가됨에 따라 상기 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율이 선형적으로 비례하여 증가되거나 감소되는 것은 아니며, 예를 들어, 본원의 실시예의 실험에서는 Hg-함유 전구체 용액으로서 HgCl2를 사용했을 경우 약 6 mM의 HgCl2를 이용하여 상기 염료를 제조했을 때 가장 높은 에너지 전환효율이 기록되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 실험 조건 및 상기 Hg-함유 전구체 용액의 종류에 따라 상기 Hg-함유 전구체 용액의 최적 농도, 및 이에 따른 최고의 에너지 전환효율이 달라질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또는, 예를 들어, 상기 광흡수층을 형성하기 위하여 상기 반도체층에 상기 염료를 흡착시키는 것은, 상기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는 분산액을 분사하거나, 도포하거나, 또는 침지하는 방법을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 염료를 흡착시키는 것은, 스핀-코팅, 딥 코팅, 스크린 코팅, 스프레이 코팅, 또는 전기 방사 등의 방법을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
종래의 염료감응 태양전지에서 감광성 염료로서 일반적으로 사용되었던 루테늄 금속을 포함하는 유기 염료는 반도체층에 흡착하는데 최소 약 2 시간에서 길게는 약 24 시간까지의 긴 흡착 시간이 필요하여, 제조 공정에 소요되는 시간이 길어진다는 단점이 있었다. 반면, 본원의 제 2 측면에 의하여 상기 화학식 1로써 표시되는 무기 염료를 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, 상기 루테늄 금속을 포함하는 유기 염료를 사용한 경우에 비하여 염료 흡착에 소요되는 시간을 현저하게 단축시킬 수 있어 시간 및 비용 절감을 할 수 있다는 이점이 있다. 예를 들어, 본원의 제 2 측면에 의하여 상기 화학식 1로써 표시되는 무기 염료를 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, 염료 흡착을 위하여 상온에서 용액에 담지하여 코팅하는 방법으로 비교적 단시간, 예를 들어 약 30 분 이내에 상기 흡착 공정을 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 광흡수층을 형성하기 위하여 상기 반도체층에 상기 염료를 흡착시킨 뒤, 추가적으로 상기 염료 상에 재결합 방지층을 형성하는 공정을 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 재결합 방지층은 큰 밴드갭 에너지를 가지는 층으로서, 상기 염료에서 생성된 전자가 전해질과 재결합하여 손실되는 것을 방지하여 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 향상시키기 위한 목적으로 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 재결합 방지층은 ZnS, ZnSe, CdS, 또는 CdSe를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 큰 밴드갭 에너지를 가지는 다양한 화합물이 상기 재결합 방지층에 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체층에 상기 염료를 흡착시킨 뒤, 이를 약 0.1 M 농도의 Zn(CH3COO)2 (zinc acetate; 아연 아세테이트) 물 용액과 약 0.1 M 농도의 Na2S 물 용액에 차례로 담지하고 수세하는 공정을 수 차례 반복 수행함으로써, 상기 염료 상에 상기 재결합 방지층인 ZnS 층이 추가적으로 형성되도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 방법에 따라 상기 전도성 투명 기재 상에 상기 반도체층 및 상기 염료를 포함하는 상기 광흡수층을 형성함으로써 제 1 전극을 형성한 후에는, 상기 제 1 전극에 제 2 전극을 대향시키고, 그 사이를 밀봉한 뒤 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전해질을 주입함으로써 본원의 염료감응 태양전지를 완성할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전극은 금속 황화물이 코팅된 합금 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 황화물은 CoS, NiS, CuS, 또는 Cu2S를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 전극으로서 산 용액 처리하여 일부 구리가 표면에 노출된 구리/아연 합금 기재를 사용하는 경우, 상기 기재 상에 황 이온을 포함하는 용액을 적하하여 노출된 구리 부분과 상기 용액 내의 황 이온의 반응으로 인해 금속 황화물인 황화 구리가 형성되도록 함으로써, 상기 제 2 전극으로서 상기 금속 황화물이 코팅된 합금 기재가 형성되도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 황 이온을 포함하는 용액은 약 1 M의 Na2S와 약 1 M의 S의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 전극에 코팅된 상기 금속 황화물은 산화·환원 반응의 촉매제 역할을 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 주입되는 전해질은, 산화·환원에 의해 상대 전극인 상기 제 2 전극으로부터 전자를 받아, 전자를 잃었던 염료 분자에게 받은 전자를 전달하는 역할을 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전해질은 상기 광흡수층 사이의 공간에 균일하게 분산되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전해질은 전해액으로 이루어질 수 있으며, 상기 전해액은 요오드화물(iodide)/삼요오드화물(triodide) 쌍으로서 산화·환원에 의해 상대 전극으로부터 전자를 받아 염료 분자에게 전달하는 역할을 수행하는 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전해질로서는 요오드를 아세토니트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질로서 1 M의 Na2S와 1 M의 S를 혼합한 물 용액을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 전해질의 누액을 방지하기 위해 형성되는 밀봉 부분은 열가소성 고분자물질을 포함하는 것일 수 있으며, 열 또는 자외선에 의하여 경화되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 에폭시 수지를 이용하여 상기 밀봉 부분을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또는, 예를 들어, 수십 마이크로 두께의 고분자 필름을 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 끼워 넣어 간격을 유지할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또는, 예를 들어, 캡톤(captone) 접착 테이프를 이용하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 밀봉 접합할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 보다 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
1. 염료감응 태양전지의 제조
(1) 전도성 투명 기재 상에 반도체층을 형성하는 공정
본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 전도성 투명 기재를 형성하기 위하여, 우선 FTO(불소 도핑된 주선 산화물) 글라스(Pilkington, TEC-8, 8 Ω/sq)를 초음파를 이용하여 에탄올에서 20 분 동안 세척하였다. 이후, 상기 FTO 글라스를 0.1 M Ti(IV) 비스(에틸아세토아세테이토)-디이소프로폭사이드(Aldirch 사의 제품)/1-부탄올(Aldrich 사의 제품) 용액을 사용하여 스핀 코팅 방법을 이용하여 코팅함으로써 재결합 방지 버퍼층 역할을 수행하는 TiO2 박막이 형성되도록 하여, 상기 염료감응 태양전지에 포함되는 전도성 투명 기재 부분을 형성하였다.
이후, 상기 전도성 투명 기재 상에 반도체층을 형성하기 위하여, 상기 전도성 투명 기재를 약 550 ℃에서 약 15 분 동안 열처리한 후 닥터 블레이드 방법을 사용하여 TiO2 페이스트를 코팅하였다. 이때, 코팅되는 TiO2 페이스트의 두께는 테이프로 조절하였다. 상기 코팅 후 약 550℃에서 약 1 시간 동안 열처리 함으로써 다공성 TiO2 반도체층을 형성하였다.
(2) 반도체층에 감광성 염료를 흡착시키는 공정
이후, 상기 전도성 투명 기재인 FTO 글라스 상에 형성된 상기 반도체층인 TiO2 필름 상에 감광성 염료를 흡착하여 광흡수층을 포함하는 제 1 전극을 완성하기 위하여, 감광성 염료를 흡착시키는 공정을 수행하였다.
구체적으로, 0.1 M Pb(NO3)2와 다양한 농도의 HgCl2를 포함하는 제 1 용액, 및 0.1 M Na2S를 포함하는 제 2 용액에 차례로 상기 반도체층이 형성된 상기 전도성 투명 기재를 담지하고 증류수로 세척하는 공정을 수차례 반복함으로써, 상기 반도체층 표면에 감광성 염료인 Pb1-xHgxS 무기 나노 결정이 흡착되도록 하였다. 여기에서, 상기 제 1 용액은 Pb2+ 및 Hg2+ 이온을 포함하는 것이었고, 상기 제 2 용액은 S2- 이온을 포함하는 것이었다. 또한, 상기 제 1 용액의 HgCl2 농도는 약 0 mM, 약 2 mM, 약 4 mM, 약 6 mM, 및 약 8 mM로 다양화하였으며, 이는 상기 감광성 염료의 화학식인 Pb1-xHgxS 에서 x 값을 다양화하고, 이에 따른 에너지 전환효율 변화 등을 측정하기 위함이었다.
이와 같이 상기 반도체층에 상기 감광성 염료를 흡착시킴으로써 염료감응 태양전지의 제 1 전극을 완성하였다. 참고로, 상기 공정은 상온에서 수행되었고 약 30 분 정도의 시간이 소요되었는데, 이는 종래의 루테늄 금속을 흡착시키는데 높은 비용과 많은 시간이 소요되었던 것에 비해 개선된 효과였다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 상기 제 1 용액과 상기 제 2 용액에 차례로 담지하는 공정을 수차례 반복함으로써 Pb, Hg, 및 S 중 일부만을 포함하는 감광성 염료가 아닌 Pb, Hg, 및 S를 동시에 모두 포함하는 감광성 염료가 흡착되도록 하였다.
상기 반도체층에 상기 감광성 염료를 흡착시킴으로써 염료감응 태양전지의 제 1 전극을 완성한 뒤, 이를 0.1 M 농도의 Zn(CH3COO)2 물 용액과 0.1 M 농도의 Na2S 물 용액에 차례로 담지하고 수세하는 공정을 2 회 반복함으로써, 상기 감광성 염료 상에 ZnS 층이 추가적으로 형성되도록 하였다. 상기 ZnS 층은 큰 밴드갭 에너지를 가지는 층으로서, 감광성 염료에서 생성된 전자가 전해질과 재결합하여 손실되는 것을 방지하여 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 향상시키기 위한 목적으로 형성된 것이었다.
(3) 제 2 전극을 형성하는 공정
본원의 염료감응 태양전지에서 상대 전극 역할을 하는 제 2 전극으로서, 금속 황화물이 코팅된 합금 기재를 제조하였다. 구체적으로, 구리/아연 합금 기재를 준비하고, 염산 용액을 처리하여 표면의 아연 부분을 일부 식각함으로써 구리를 일부 표면 노출시킨 후, 1 M Na2S와 1 M S를 포함하는 용액을 적하함으로써 상기 노출된 구리와 상기 용액에 포함된 황 이온을 반응시켜 황화 구리 등의 금속 황화물이 상기 합금 기재에 코팅되도록 하였다.
(4) 제 1 전극과 제 2 전극 사이를 밀봉하고 전해질을 주입하는 공정
상기 제 2 전극은, 상기 제 1 전극과 대향되도록 위치시켰으며, 밀봉용 테이프로서 캡톤(captone) 접착 테이프를 이용하여 상기 두 전극을 접합 밀봉하였다. 이후, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 형성된 공간으로 전해질을 주입하였다. 상기 전해질로서는 1 M Na2S와 1 M S를 포함하는 용액을 이용하였다. 이로써, 본원의 염료감응 태양전지를 완성하였다.
2. 염료감응 태양전지의 특성 확인
본 실시예에서는, 상기 1의 방법에 따라 제조한 본원의 염료감응 태양전지의 특성을 확인하는 실험을 수행하였으며, 그 결과를 본원의 도 2 내지 5에 나타내었다.
이와 관련하여, 도 2는 염료감응 태양전지에 포함되는 염료를 제조하기 위해 이용되는 Hg-함유 전구체 용액의 농도를 다양화하였을 때 이에 따른 광전류-전압 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
또한, 도 3은 염료감응 태양전지에 포함되는 반도체층의 두께를 다양화하였을 때 이에 따른 광전류-전압 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
또한, 도 4 및 도 5는 각각, 다양한 크기의 금속 산화물의 나노 입자를 적층하여 염료감응 태양전지에 포함되는 반도체층을 형성한 경우의 광전류-전압 특성 그래프 및 파장에 따른 외부 양자 효율(EQE) 그래프를 나타낸 것이다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5의 그래프 각각에 나타낸 본원에 따른 염료감응 태양전지의 특성에 대하여 보다 구체적으로 설명하였다.
(1) Hg -함유 전구체 용액 농도에 따른 광전류-전압 특성 변화 (도 2)
상기 1의 방법에 따라 제조한 염료감응 태양전지에서, 염료 흡착 공정에서 이용한 Hg-함유 전구체 용액인 HgCl2의 농도 이외에는 모든 조건을 동일하게 하여 염료감응 태양전지를 제조하고 상기 염료강응 태양전지의 광전류-전압 특성을 측정함으로써 적절한 Hg-함유 전구체 용액의 농도를 확인하는 실험을 수행하였으며, 그 측정 결과를 하기 표 1 및 도 2에 나타내었다. 여기에서, HgCl2의 농도는 약 0 mM, 약 2 mM, 약 4 mM, 약 6 mM, 및 약 8 mM로 다양화하였다.
이때, 상기 광전류-전압 특성의 측정은 태양조사장치(solar simulator)를 이용하여 AM 약 1.5 G 및 1 태양 조건(100 mW/cm2)의 표준 조건에서 수행되었다. 구체적으로, 하기 표 1에서는 HgCl2 농도 변화에 따른 광전류밀도(Jsc)의 변화, 광전압(Voc)의 변화, 층밀계수(FF; Fill Factor)의 변화, 에너지 전환효율(η; Efficiency)의 변화를 나타내었으며, HgCl2 농도 이외의 요인, 예를 들어 광흡수층에 포함되는 반도체층의 면적(Area) 또는 두께(Thickness) 등은 거의 일정하게 유지하였음을 나타내었다:
HgCl2
농도		 광전류밀도
(mA/cm2)		 광전압
(V)		 층밀계수
(%)		 효율
(%)		 면적
(cm2)		 두께
(μm)
0 mM 8.20 0.348 47.66 1.36 0.482 6.7
2 mM 16.47 0.393 42.80 2.77 0.422 6.7
4 mM 15.90 0.422 41.08 2.75 0.479 6.5
6 mM 15.71 0.419 42.58 2.80 0.435 6.5
8 mM 14.34 0.403 42.91 2.48 0.438 6.5
이와 관련하여, 도 2는 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 HgCl2 농도 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프로서, 상기 표 1의 데이터를 이용하여 작성한 것이다. 상기 표 1 및 도 2를 참조함으로써, HgCl2 농도가 약 6 mM인 경우 에너지 전환효율이 가장 우수함을 확인할 수 있었다.
(2) 반도체층의 두께에 따른 광전류-전압 특성 변화 (도 3)
상기 1의 방법에 따라 제조한 염료감응 태양전지에서, 반도체층인 TiO2의 두께 이외에는 모든 조건을 동일하게 하여 염료감응 태양전지를 제조하고 상기 염료감응 태양전지의 광전류-전압 특성을 측정함으로써 적절한 반도체층의 두께를 확인하는 실험을 수행하였으며, 그 측정 결과를 하기 표 2 및 도 3에 나타내었다. 여기에서, 앞서 상기 표 1 및 도 2를 통해 확인한 바에 따라, HgCl2의 농도는 최적 조건인 약 6 mM로 고정하였으며, TiO2 층의 두께를 약 7.8 μm, 약 10.5 μm, 및 약 12.8 μm로 다양화하였다.
이때, 상기 광전류-전압 특성의 측정은 태양조사장치(solar simulator)를 이용하여 AM 약 1.5 G 및 1 태양 조건(100 mW/cm2)의 표준 조건에서 수행되었다. 구체적으로, 하기 표 2에서는 반도체층인 TiO2 층의 두께 변화에 따른 광전류밀도(Jsc)의 변화, 광전압(Voc)의 변화, 충진 인자(FF)의 변화, 에너지 전환효율(η)의 변화를 나타내었으며, 반도체층인 TiO2 층의 두께 이외의 요인, 예를 들어 광흡수층에 포함되는 반도체층의 면적(Area) 또는 두께(Thickness) 등은 거의 일정하게 유지하였음을 나타내었다:
TiO2
두께		 광전류밀도
(mA/cm2)		 광전압
(V)		 층밀계수
(%)		 효율
(%)		 면적
(cm2)		 두께
(μm)
7.8 μm 20.78 0.408 39.97 3.39 0.428 7.8
10.5 μm 23.03 0.401 39.65 3.66 0.470 10.5
12.8 μm 24.67 0.390 36.51 3.51 0.475 12.8
이와 관련하여, 도 3은 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 TiO2 층의 두께 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프로서, 상기 표 2의 데이터를 이용하여 작성한 것이다. 상기 표 2 및 도 3을 참조함으로써, TiO2 층의 두께가 약 10.5 μm 인 경우 에너지 전환효율이 가장 우수함을 확인할 수 있었다.
(3) 반도체층을 적층 형성한 경우의 광전류-전압 특성 (도 4) 및 파장에 따른 외부 양자 효율 (도 5)
상기 1의 방법에 따라 염료감응 태양전지를 제조하되, 염료감응 태양전지의 반도체층 부분을 약 20 nm, 약 40 nm, 및 약 500 nm 크기의 TiO2 나노 입자를 수직으로 적층하여 총 두께가 약 20 μm 가 되도록 한 뒤, 나머지 구성 요소들은 앞서 1에서 설명한 공정에 따라 형성하여 염료감응 태양전지를 완성하고, 상기 염료감응 태양전지의 광전류-전압 특성 및 외부 양자 효율을 측정하여 도 4 및 5의 그래프와 하기 표 3에 나타내었다. 여기에서, 앞서 상기 표 1 및 도 2를 통해 확인한 바에 따라, HgCl2의 농도는 최적 조건인 약 6 mM로 고정하였다.
이때, 상기 광전류-전압 특성의 측정은 태양조사장치(solar simulator)를 이용하여 AM 약 1.5 G 및 1 태양 조건(100 mW/cm2)의 표준 조건에서 수행되었다. 구체적으로, 하기 표 3에서는 광전류밀도(Jsc), 광전압(Voc), 충진 인자(FF), 및 에너지 전환효율(η)을 나타내었으며, 참고적으로 상기 염료감응 태양전지에 포함된 반도체층의 면적(Area) 및 총 두께(Thickness)도 함께 나타내었다:
광전류밀도(mA/cm2) 광전압(V) 층밀계수(%) 효율(%) 면적(cm2) 두께(μm)
26.64 0.407 49.73 5.39 0.467 20
이와 관련하여, 도 4는 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 광전류-전압 특성 그래프로서, 상기 표 3의 데이터를 이용하여 작성한 것이다. 또한, 도 5는 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 파장에 따른 외부 양자 효율을 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5의 그래프를 통하여, 종래의 염료감응 태양전지에서 감광성 염료로서 사용되었던 루테늄계 염료(N719)를 이용할 경우 광흡수 파장 영역이 약 800 nm 파장 이하의 범위로 제한되는 반면, 본원에 따라 감광성 염료로서 화학식 Pb1 -xHgxS로써 표시되는 무기 염료를 감광성 염료로서 사용할 경우 광흡수 파장 영역이 약 1400 nm까지로 확장되고, 이에 따라 종래의 염료감응 태양전지가 약 14 mA/cm2의 광전류를 생성할 수 있었던 것에 비해 본원의 염료감응 태양전지는 약 90% 이상 증가한 수치인 약 26.64 mA/cm2의 광전류를 생성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 전도성 투명 기재
2: 제 2 전극
3: 봉지제
4: 염료
5: 반도체층
6: 전해질

Claims (16)

  1. 전도성 투명 기재 상에 형성된 광흡수층을 포함하는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극에 대향되는 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 전해질
    을 포함하는 염료감응 태양전지로서,
    상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 Pb, Hg, 및 S를 동시에 함유하는 염료를 포함하는 것이고:
    [화학식 1]
    Pb1-xHgxS
    상기 화학식 1에서, 상기 x는 0 초과 내지 1 미만의 값이며,
    상기 염료는 Hg-함유 전구체 용액을 이용하여 제조되는 것을 포함하는 것이고,
    상기 반도체층은 금속 산화물의 나노 입자를 적층하여 형성되는 것을 포함하는 것인,
    염료감응 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 투명 기재는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은, 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 0 μm 초과 내지 40 μm 이하의 두께를 가지는 것인, 염료감응 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 염료는 0 mM 초과 내지 10 mM 이하의 Hg-함유 전구체 용액을 이용하여 제조되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Zn, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 금속 황화물이 코팅된 합금 기재를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  9. 전도성 투명 기재 상에 반도체층을 형성하는 것;
    상기 반도체층에 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 흡착시켜 광흡수층을 형성함으로써, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 상기 광흡수층을 포함하는 제 1 전극을 제조하는 것:
    [화학식 1]
    Pb1-xHgxS
    상기 화학식 1에서, 상기 x는 0 초과 내지 1 미만의 값인 것;
    상기 제 1 전극과 제 2 전극을 대향 조립하는 것; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전해질을 주입하는 것
    을 포함하는,
    제 1 항에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법으로서,
    상기 염료는 Pb, Hg, 및 S를 동시에 함유하는 염료로서 Hg-함유 전구체 용액을 이용하여 제조되는 것을 포함하는 것이고,
    상기 반도체층은 금속 산화물의 나노 입자를 적층하여 형성되는 것을 포함하는 것인,
    제 1 항에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체층은 0 μm 초과 내지 40 μm 이하의 두께를 가지는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체층은 다공성 구조인 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체층은, 상기 전도성 투명 기재 상에 금속 산화물과 고분자의 혼합물을 도포하고 열처리 함으로써 형성되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 광흡수층을 형성하는 것은, 상기 반도체층을 Pb-함유 전구체 용액, Hg-함유 전구체 용액, 및 S-함유 전구체 용액에 각각 담지하는 것을 반복 수행함으로써 상기 염료를 흡착시키는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 Hg-함유 전구체 용액은 0 mM 초과 내지 10 mM 이하인 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 금속 황화물이 코팅된 합금 기재를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
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