KR101363593B1 - 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 - Google Patents

염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101363593B1
KR101363593B1 KR1020120087498A KR20120087498A KR101363593B1 KR 101363593 B1 KR101363593 B1 KR 101363593B1 KR 1020120087498 A KR1020120087498 A KR 1020120087498A KR 20120087498 A KR20120087498 A KR 20120087498A KR 101363593 B1 KR101363593 B1 KR 101363593B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dye
solar cell
transition metal
metal oxide
photoelectrode
Prior art date
Application number
KR1020120087498A
Other languages
English (en)
Inventor
문준혁
조창열
Original Assignee
서강대학교산학협력단
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 서강대학교산학협력단 filed Critical 서강대학교산학협력단
Priority to KR1020120087498A priority Critical patent/KR101363593B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101363593B1 publication Critical patent/KR101363593B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

본원은 자기조립법을 이용한 이중 콜로이드를 주형으로 한 계층형 산화티타늄 구조의 제작 및 태양전지의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원의 규칙적 구조를 갖는 주형을 이용하여 SnO2/TiO2 및 SnO2:F/TiO2 복합 구조를 형성한 광전극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.

Description

염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지{PHOTOELECTRODE FOR DYE-SENSITIZED SOLAR CELL, PREPARING METHOD OF THE SAME, AND DYE-SENSITIZED SOLAR CELL INCLUDING THE SAME}
본원은, 전이금속 산화물과 주석 산화물을 함유하는 다공성 복합 산화물 구조체를 이용한 염료감응 태양전지용 광전극, 상기 광전극의 제조 방법 및 상기 광전극을 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변화시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 것으로서, 이미 우리 생활에 널리 이용되고 있는 실리콘 태양전지가 대표적이며, 최근 차세대 태양전지로 염료감응 태양전지가 연구되고 있다.
염료감응 태양전지는 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 대표적이며 [미국등록특허 제 5350644호], 구조는 두 개의 전극 중 하나의 전극은 염료가 흡착되어 있는 반도체 산화물층이 형성된 전도성 투명 기재를 포함하는 광전극이며, 상기 두 개의 전극 사이의 공간에는 전해질이 채워져 있다. 작동 원리를 살펴보면, 태양 에너지가 반도체 산화물 전극에 흡착된 염료에 의해 흡수됨으로써 광전자가 발생하며, 상기 광전자는 반도체 산화물층을 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 전극(상대전극)에 도달한 전자는 산화된 전해질의 산화-환원 쌍을 다시 환원시켜 작동 과정이 완성된다.
염료감응 태양전지에서 산화물 전극은 일반적으로 다공성 메조기공을 갖는 이산화티타늄 전극이 많이 사용되며, 일반적으로 이산화티타늄 나노입자를 코팅하여 얻어진다. 메조기공은 비표면적을 증가시켜 염료흡착을 증가시켜 궁극적으로 광-전기 변환효율을 높일 수 있다.
다공성 이산화티타늄 구조체의 제조는 나노입자의 코팅뿐만 아니라 최근에 주형법을 통해서도 이루어지고 있으며, 주형법은 계면활성제 및 고분자 나노입자 등의 자기조립을 통해 틀을 만들고, 이산화티타늄을 주입하고, 틀을 제거하여 다공성 이산화티타늄 구조를 획득하는 방법이다 [Advanced Functional Materials 2009, 19, p1913-1099]. 그러나, 이러한 방법은 기존 TiO2 물질의 낮은 전자 이동도로 인하여, 태양전지의 성능이 떨어지는 단점이 있으며, 비교적 오랜 시간(수시간)의 기공형성의 시간이 필요하다는 문제점이 있다. 또한, 구조의 부피 분율이 낮아 기계적 강도가 낮고 또한 전자의 이동이 지연될 가능성이 있다. 한편, 대한민국 공개특허 제2009-0047300호의 "염료감응 태양전지 및 이의 제조 방법"에서 이산화티타늄을 이용한 염료감응 태양전지에 관한 연구에 대하여 개시된 바 있다.
본원은, 전이금속 산화물과 주석 산화물을 함유하는 다공성 복합 산화물 구조체를 이용한 염료감응 태양전지용 광전극, 상기 광전극의 제조 방법 및 상기 광전극을 염료감응 태양전지를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재 상에 콜로이드 결정층을 형성하는 단계; 및, 상기 콜로이드 결정층 내로 제 1 전이금속 산화물 입자-함유 용액과 주석 산화물 전구체-함유 용액을 주입한 후 소결하여 상기 콜로이드 결정층을 선택적으로 제거함으로써 다공성 복합 산화물 구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 전도성 투명 기재, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 다공성 복합 산화물 구조체, 및 상기 다공성 복합 산화물 구조체에 흡착된 감광성 염료를 포함하며, 상기 다공성 복합 산화물 구조체는 제 1 전이금속 산화물 및 주석 산화물을 함유하는 복합 산화물층을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 광전극, 상기 광전극에 대향되는 상대전극, 및 상기 두 개의 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 광전극은, 전도성 투명 기재, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 다공성 복합 산화물 구조체, 및 상기 다공성 복합 산화물 구조체에 흡착된 감광성 염료를 포함하며, 상기 다공성 복합 산화물 구조체는 제 1 전이금속 산화물 및 주석 산화물을 함유하는 복합 산화물층을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지를 제공한다.
본원에 따른 염료감응 태양전지용 광전극은, 다공성 패턴 내에 수십 내지 수 나노미터의 기공크기의 제어가 가능하여 더 작은 다공성 패턴을 갖는 구조를 적용함으로써, 높은 비표면적을 가질 수 있기 때문에 종래 기술 구조보다 더 많은 염료를 흡착시켜 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 고농도의 콜로이드 용액을 사용하여 희생층의 형성 시간이 짧아 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
본원에 따른 염료감응 태양전지용 광전극은, 수십 내지 수 마이크로미터 기공크기를 갖는 구조를 형성하여 광산란 유도가 가능하여 광흡수 효율을 증가시킬 수 있으므로 궁극적으로 효율이 향상된 염료감응 태양전지의 제조가 가능하다.
본원에 따른 염료감응 태양전지용 광전극은, 기존의 페이스트 형식으로 사용된 이산화티타늄 나노 입자를 사용한 전극과 비교했을 때, 구조의 기공이 면심입방구조로 연결되어 있어, 전자 전달통로가 잘 형성되어, 전자 수명(Electron life time)이 더 길어, 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
본원에 따른 염료감응 태양전지용 광전극에서, 상기 제 1 전이금속 산화물에 첨가된 SnO2, 또는 SnO2:F 물질은 상기 제 1 전이금속 산화물을 도핑함으로서 상기 광전극의 전자 이동도 및 전기 전도도를 향상시켜 종래 TiO2 광전극과 비교했을 때보다 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
본원에 따른 염료감응 태양전지용 광전극은, 염료감응 태양전지뿐만 아니라, 광촉매 등 산화티타늄 소재가 사용되는 다양한 분야에 활용될 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지 구조의 개략도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따라서 3차원 기공을 형성 시 750 nm 크기의 고분자 입자를 희생층으로서 사용하여 제조된 광전극의 SEM 사진이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 TiO2 (a), SnO2/TiO2 (b), 및 SnO2:F/TiO2 (c) 복합 3차원 광전극 각각의 표면 SEM 사진이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 광전극 구조 표면에 TiO2 층을 후처리하여 코팅함으로써, 그 기공 표면에 TiO2 층이 추가 형성된 것을 보여주는 표면 SEM 사진이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따라 TiO2, SnO2/TiO2, 및 SnO2:F/TiO2 을 이용하여 제조된 각 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 효율 측정치 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 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 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.
본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재 상에 콜로이드 결정층을 형성하는 단계; 및, 상기 콜로이드 결정층 내로 제 1 전이금속 산화물 입자-함유 용액과 주석 산화물 전구체-함유 용액을 주입한 후 소결하여 상기 콜로이드 결정층을 선택적으로 제거함으로써 다공성 복합 산화물 구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 전이금속 산화물 입자-함유 용액과 상기 주석 산화물 전구체-함유 용액은 순차적으로 또는 동시에 상기 콜로이드 결정층 내로 주입되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법은, 상기 다공성 복합 산화물 구조체를 제 2 전이금속 산화물 전구체-함유 용액에 침지시켜 제 2 전이금속 산화물층을 코팅하는 단계 (후처리 단계)를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법은, 상기 다공성 복합 산화물 구조체에 감광성 염료를 흡착시키는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 염료는 상기 다공성 복합 산화물 구조체에 흡착될 수 있으며, 상기 다공성 복합 산화물 구조체를 후처리하여 상기 제 2 전이금속 산화물층이 코팅된 경우 상기 염료는 상기 제 2 전이금속 산화물층에 흡착될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 전이금속 산화물은 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물 반도체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전이금속 산화물은 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물 반도체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 주석 산화물은 SnO2, SnO2:F 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전이금속 산화물층의 두께는 상기 제 2 전이금속 산화물 전구체-함유 용액의 농도 또는 상기 후처리하는 시간에 의하여 조절될 수 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 전이금속 산화물 입자의 크기는 약 100 nm 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 전이금속 산화물 입자의 크기는 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 약 20 nm 이하, 약 10 nm 이하, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 15 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 복합 산화물 구조체의 두께는 상기 제 1 전이금속 산화물 입자-함유 용액과 주석 산화물 전구체-함유 용액의 농도 또는 상기 주입 시간에 의하여 조절될 수 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 복합 산화물 구조체의 두께는 약 200 nm 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 전이금속 산화물 입자의 크기는 약 200 nm 이하, 약 190 nm 이하, 약 180 nm 이하 약 170 nm 이하, 약 160 nm 이하, 약 150 nm 이하, 약 140 nm 이하, 약 130 nm 이하, 약 120 nm 이하, 약 110 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 150 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 100 nm 내지 약 150 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 200 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전이금속 산화물층의 두께는 상기 제 2 전이금속 산화물 전구체- 함유 용액의 농도 또는 상기 침지 시간에 의하여 조절될 수 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전이금속 산화물층은 약 500 nm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 전이금속 산화물층은 약 500 nm 이하, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 150 nm 이하, 약 100 nm 이하, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 약 100 nm 내지 약 400 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 200 nm 의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 전이금속 산화물 입자-함유 용액에 있어서 상기 제 1 전이금속 산화물 입자의 농도는 약 30 중량% 이하, 약 25 중량% 이하, 약 20 중량% 이하, 약 15 중량% 이하, 또는 약 10 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 주석 산화물 전구체-함유 용액 중 상기 주석 산화물 전구체의 농도는 약 0.4 M 이하, 약 0.3 M 이하, 약 0.2 M 이하, 또는 약 0.1 M 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법은, 상기 콜로이드 결정층을 형성하기 전에 상기 전도성 투명 기재 상에 차단층을 형성하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정층은, 휘발성 용매에 콜로이드 입자가 분산되어 있는 콜로이드 용액을 상기 전도성 투명 기재 상에 도포하는 것을 포함하는 공정에 의하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 결정층은, 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/폴리디비닐벤젠(PS/DVB = polystyrene/divinylbenzene), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) (PBMA), 또는 이들의 조합을 함유하는 콜로이드 입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 콜로이드 입자의 크기는 약 100 nm 내지 약 5 ㎛ 이하, 약 100 nm 내지 약 4 ㎛ 이하, 약 100 nm 내지 약 3 ㎛, 약 100 nm 내지 약 2 ㎛ 이하, 약 100 nm 내지 약 1 ㎛ 이하, 약 200 nm 내지 약 5 ㎛ 이하, 약 200 nm 내지 약 4 ㎛ 이하, 또는 약 200 nm 내지 약 3 ㎛, 약 200 nm 내지 약 2 ㎛ 이하, 또는 약 200 nm 내지 약 1 ㎛ 이하의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 소결은 400℃ 내지 600℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 복합 산화물 구조체의 기공은 상기 사용되는 상기 콜로이드 입자의 크기에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 복합 산화물 구조체의 기공은 약 100 nm 내지 약 5 um 이하, 약 100 nm 내지 약 4 um 이하, 또는 약 100 nm 내지 약 3 um, 약 100 nm 내지 약 2 um 이하, 약 100 nm 내지 약 1 um 이하, 약 200 nm 내지 약 5 um 이하, 약 200 nm 내지 약 4 um 이하, 또는 약 200 nm 내지 약 3 um, 약 200 nm 내지 약 2 um 이하, 또는 약 200 nm 내지 약 1 um 이하의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 전도성 투명 기재, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 다공성 복합 산화물 구조체, 및 상기 다공성 복합 산화물 구조체에 흡착된 감광성 염료를 포함하며, 상기 다공성 복합 산화물 구조체는 제 1 전이금속 산화물 및 주석 산화물을 함유하는 복합 산화물층을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 복합 산화물 구조체는 상기 복합 산화물층에 코팅된 제 2 전이금속 산화물층을 추가 함유하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 염료감응 태양전지용 광전극은 상기 본원의 제 1 측면에 따른 방법에 의하여 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 본원의 제 1 측면에 대하여 기재된 내용은 모두 본원의 제 2 측면에 따른 염료감응 태양전지용 광전극에 적용될 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 상기 광전극에 대향되는 상대전극, 및 상기 두 개의 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 광전극은, 전도성 투명 기재, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 다공성 복합 산화물 구조체, 및 상기 다공성 복합 산화물 구조체에 흡착된 감광성 염료를 포함하며, 상기 다공성 복합 산화물 구조체는 제 1 전이금속 산화물 및 주석 산화물을 함유하는 복합 산화물층을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 복합 산화물 구조체는 상기 복합 산화물층에 코팅된 제 2 전이금속 산화물층을 추가 함유하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 본원의 제 1 측면에 대하여 기재된 내용은 모두 본원의 제 3 측면에 따른 염료감응 태양전지에 적용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본원의 일 구현예에 따른 다공성 복합 산화물 구조체(20) 및 이를 포함하는 광전극(100) 및 그의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 도 1은 본 실험을 위한 콜로이드 입자를 주형으로 이용한 다공성 복합 산화물 구조체의 제조 과정을 나타내는 개략도이다. 구체적으로, 전도성 투명 기재에, 폴리스타이렌 입자와 같은 입자를 포함하는 콜로이드 결정층을 희생층으로서 형성하고, 상기 콜로이드 결정층 내로 제 1 전이금속 산화물 입자-함유 용액과 주석 산화물 전구체-함유 용액을 주입한 후 소결하여 상기 콜로이드 결정층을 선택적으로 제거함으로써 다공성 복합 산화물 구조체를 형성할 수 있다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 전도성 투명 기재(10) 상에 콜로이드 결정층을 형성한다(도 1a 및 도 1b).
상기 광전극을 제조하기 위해서는 우선, 기재를 준비한다. 상기 전도성 투명 기재(10)는 투명 기재 상에 투명 전극(투명 전도성 필름)을 증착하여 제조할 수 있다. 상기 투명 기재로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 갖는 물질이라면 특별히 한정됨 없이 사용할 수 있다. 상기 전도성 투명 기재(10)는 당업계에서 사용되는 통상적인 것에서 선택하여 사용할 수 있으며, 투명 기재 상에, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 및 SnO2-Sb2O3 중 어느 하나를 포함하는 투명 전극이 코팅된 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 투명 기재는 유리 기재 또는 투명 고분자 기재일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 전도성 투명 전극은, 전도성, 투명성, 및 내열성이 우수한 산화주석(SnO2), 또는 비용면에서 저렴한 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 투명 기재는, 태양광과 같은 빛이 투과되어 내부로 입사될 수 있도록 하여 다공성 광전극으로 이용할 수 있도록 하기 위함이다. 상기 투명 고분자 기재의 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 트리아세틸 셀룰로오스(triacetylcellulose, TAC), 또는 이들의 공중합체 등의 고분자를 포함하는 기재를 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다음으로, 기재 상에 필요에 따라 차단층이 형성될 수 있다. 상기 차단층은 기재 상에 산화물을 일정한 두께로 코팅하여 형성할 수 있다. 상기 차단층은 기재 상에 당업계에 공지된 물질을 공지된 방법으로 코팅하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 차단층은 증착, 전기 분해, 또는 습식법에 의하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 차단층의 재료, 차단층을 형성하기 위한 열처리 횟수나 조건 등은 본원의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 다양하게 변형이 가능하다. 이러한 차단층은 기재와 다공성 전이금속 산화물 구조체 사이에 접착력을 강화하는 역할을 한다.
기재 상에 차단층이 형성되면, 상기 차단층 상에 희생층을 형성한다. 또는, 차단층을 형성함 없이, 상기 기재 상에 희생층을 형성할 수 있다. 상기 희생층을 형성하는 것은, 고분자의 콜로이드 입자를 포함하는 용액을 일정한 두께로 도포한 뒤 건조 과정을 거쳐, 상기 고분자 콜로이드 입자가 자기조립됨으로써 희생층이 형성되는 공정에 의하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 기재, 또는 상기 기재 상에 수 나노미터 두께로 형성된 차단층 상에 상기 고분자 콜로이드 입자를 코팅하기 전에, 플라즈마 세정 등을 통하여 상기 기재 또는 상기 차단층의 표면을 세척하면, 상기 고분자 콜로이드 입자의 퍼짐성을 좋게 할 수 있다.
상기 콜로이드 결정층은 고분자의 콜로이드 입자로 이루어지는 층을 말하는데, 상기 고분자 콜로이드 입자는, 구 형태와 입자의 균일도를 충족하고, 높은 온도를 가하였을 때 기화되어 제거될 수 있어야 하며, 상기 조건들을 충족하는 입자라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 고분자의 콜로이드 입자를 포함하는 용액에 이용되는 용매로서는, 물, 알코올, 또는 이들의 혼합 용매 등의 휘발성 용매를 사용할 수 있으며, 상기 고분자의 콜로이드 입자를 포함하는 용액을 도포하는 것은 스핀 코팅 또는 캐스팅 방법에 의하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 스핀 코팅 속도를 조절하거나 또는 상기 캐스팅 수행 시 사용되는 상기 고분자 콜로이드 입자를 포함하는 용액의 양을 조절함으로써, 상기 희생층의 두께를 조절할 수 있다.
전도성 투명 기재(10) 상에 고분자 콜로이드 용액을 일정한 두께로 도포하여 건조과정을 거쳐 고분자 콜로이드 자기조립 결정층(12)을 형성한다(도 1b). 상기 고분자 콜로이드 용액을 도포하는 것은 스핀 코팅 또는 캐스팅 방법에 의하여 수행될 수 있다. 이에 따라 형성된 콜로이드 자기조립 결정층은, 이후 다공성 제 1 전이금속 산화물층(14) 형성을 위하여 주형으로 사용한다. 예를 들어, 상기 고분자 콜로이드 결정층의 콜로이드 입자의 크기는 약 100 ㎚ 내지 약 5 ㎛ 이하 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 고분자 콜로이드 자기조립 결정층(12)의 두께는 상기 고분자 콜로이드 용액의 도포량에 의하여 조절될 수 있으며, 약 1 마이크로미터 이상 또는 10 마이크로미터 이상 두께로 조절할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서 상기 고분자 콜로이드 용액은 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/폴리디비닐벤젠(PS/DVB = polystyrene/divinylbenzene), 폴리아미드 6(Nylon 6) 등과 같은 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) (PBMA), 또는 이들의 조합을 포함하는 고분자 콜로이드 입자가 물과 알코올의 혼합 용매 등과 같은 휘발성 용매 중에 10 중량% 이상 또는 20 중량% 이상의 고농도로 분산된 용액을 사용할 수 있으며, 이로 인하여 상기 고분자 콜로이드 용액은 도포 후 단시간 내에 건조시킬 수 있다. 이때 고농도의 콜로이드 입자의 경우 저장 안전성이 좋지 않을 수 있으므로 계면활성제를 추가할 수 있다. 또한, 전도성 투명 기재(10) 상에 상기 고분자 콜로이드 입자를 코팅하기 전에 플라즈마 세정 등을 통해 상기 기재 표면을 세척하면 상기 고분자 콜로이드 입자의 퍼짐성을 좋게 할 수 있다.
전도성 투명 기재(10) 상에 콜로이드 결정층을 형성하기 전에 필요한 경우 차단층(미도시)이 형성될 수도 있다. 상기 차단층은 전도성 투명 기재(10) 상에 산화물을 일정한 두께로 코팅하여 형성한다. 상기 차단층은 산화물로 이루어져 있으며, 전도성 투명 기재(10)과 다공성 제 1 전이금속 산화물층(14) 사이에 접착력을 강화하는 역할을 한다. 상기 차단층은 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물 반도체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 전도성 투명 기재(10) 상에 0.1 M 사염화티타늄 수용액을 스핀코팅 방법으로 균일하게 도포한 후 450℃에서 열처리하여 차단층을 완성할 수 있다. 그러나, 상기 차단층의 재료는 상술한 것에 한정되지 않으며, 열처리 횟수나 조건 등도 상술한 조건에 한정되지 않고 본원의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 다양하게 변형 가능하다.
상기 형성된 고분자 콜로이드 자기조립 결정층 내로 제 1 전이금속 산화물 입자를 함유하는 용액을 주입하고 건조 및 소결하여 상기 고분자 콜로이드 자기조립 결정층을 제거함으로써 다공성 제 1 전이금속 산화물층(14)을 형성할 수 있다 (도 1c). 필요한 경우, 상기 제 1 전이금속 산화물 입자를 함유하는 용액을 주입한 후 스핀 코팅하여 상기 고분자 콜로이드 자기조립 결정층 내로 제 1 전이금속 산화물 입자의 침투를 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 제 1 전이금속 산화물 입자를 함유하는 용액은 졸-겔 반응을 일으켜 산화물을 형성할 수 있는 전이금속 산화물 형성용 전구체를 이용하여 당업계에서 통상 사용되는 방법을 사용할 수 있다. 상기 전구체는 용액 상태의 전구체 또는 용매에 희석된 것이다. 상기 고분자 콜로이드 자기조립 결정층 내로 상기 제 1 전이금속 산화물 입자를 함유하는 용액을 주입할 때 상기 전도성 투명 기재를 진공으로 고정하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 전이금속 산화물은 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물 반도체일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 형성된 고분자 콜로이드 자기조립 결정층 내로 제 1 전이금속 산화물 입자를 함유하는 용액을 주입할 때 상기 주석 산화물 전구체-함유 용액과 동시에 주입할 수 있고, 또는 내로 제 1 전이금속 산화물 입자를 함유하는 용액을 주입한 후 순차적으로 내로 상기 주석 산화물 전구체-함유 용액을 주입할 수 있다. 예를 들어, 상기 형성된 고분자 콜로이드 자기조립 결정층 내로 제 1 전이금속 산화물 입자를 함유하는 용액을 주입하고 스핀 코팅 한 후 상기 주석 산화물 전구체-함유 용액을 주입할 수 있다.
이어서, 상기 고분자 콜로이드 자기조립 결정층 제거를 위한 소결은, 예를 들어, 약 400℃ 이상, 또는, 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 소결에 의하여, 상기 제 1 전이금속 산화물과 주석 산화물을 포함하는 상기 다공성 복합 산화물 구조체(20)를 형성할 수 있다. 상기 다공성 복합 산화물 구조체(20)는 상기 콜로이드 결정이 역전된 형태의 구조를 가지며, 다공성구조로 되어 있다. 이와 같은 매크로기공 크기의 다공성 구조는 전해질을 도포할 때 원활하게 기공을 채울 수 있는 장점이 있고, 점성이 높은 고분자 또는 고체 전해질의 침투에 효율적인 기공을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 주석 산화물 전구체-함유 용액은 SnO2 전구체 또는 SnO2:F 전구체를 함유하는 것으로서, 예를 들어, 0.2 M SnO2 에탄올 용액(ethanol solution)을 사용하고, SnO2:F 전구체를 제조하기 위하여 0.2 M SnO2 에탄올 용액에 포화 불화암모늄(NH4F) 수용액을 상기 용액 속에 주입하여 제조하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 소결 후, 상기 다공성 복합 산화물 구조체를 제 2 전이금속 산화물 전구체-함유 용액에 침지시켜 제 2 전이금속 산화물층(18)을 코팅하는 단계를 추가 수행할 수 있다. 상기 코팅 후 필요한 경우 건조 및/또는 소결 과정을 수행할 수 있으며, 상기 소결은, 예를 들어, 약 400℃ 이상, 또는, 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기한 바와 같이 후처리된 전체 전이금속 산화물층은 두께가 증가하는 효과가 있다. 또한, 상기 후처리 과정에서 상기 제 2 전이금속 산화물층의 코팅이 졸-겔 반응을 통해 수행되므로, 상기 후처리 공정에서 사용하는 상기 제 2 전이금속 산화물 전구체는 졸-겔 반응이 가능한 전구체를 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 전이금속 산화물은 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물 반도체일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 과정에 따라 표면에 제 2 전이금속 산화물층이 코팅될 수 있는 상기 다공성 복합 산화물 구조체(20)에 감광성 염료를 흡착시킨다. 상기 감광성 염료의 종류 및 흡착 방법은 당업자가 당업계에서 통상 사용되는 염료 및 흡착 방법을 적의 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 감광성 염료는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 포함하는 금속 복합체를 포함할 수 있다. 여기서, 루테늄은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있어, 루테늄을 포함하는 염료가 많이 사용된다. 일례로, Ru(etc bpy)2(NCS)2·CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기서 etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2로서 상기 후처리된 전이금속 산화물 구조체 표면과 결합 가능한 반응기이다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는 쿠마린(coumarin), 포르피린(porphyrin), 크산틴(xanthene), 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethane) 등이 있다. 이들은 단독 또는 Ru 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 광전극, 상기 광전극에 대향되는 상대전극, 및 상기 두 개의 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하기 위하여, 상기 광전극은, 전도성 투명 기재(10), 상기 전도성 투명 기재(10) 상에 형성된 다공성 복합 구조 산화물 구조체, 및 상기 다공성 복합 구조 산화물 구조체(20)에 흡착된 감광성 염료를 포함하며, 상기 다공성 복합 구조 산화물 구조체는 제 1 전이금속 및 주석 산화물을 함유하는 상기 복합 구조 산화물층 및 상기 복합 구조 산화물층의 기공 표면에 형성된 제 2 전이금속 산화물층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다 (도 2 참조).
광전극(100)은 전술한 바와 같은 본원에 따른 방법에 의하여 제조된 상기 다공성 복합 산화물 구조체(20)를 이용한다. 이러한 상기 다공성 복합 산화물 구조체(20)를 이용하여 제조된 광전극(100)은 매크로기공 크기의 다공성 구조는 전해질을 도포할 때 원활하게 기공을 채울 수 있는 장점이 있고, 점성이 높은 고분자 또는 고체 전해질의 침투에 효율적인 기공을 제공한다.
상기와 같은 방법으로 제조된 광전극(100)을 포함하는 염료감응 태양전지는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성 투명 기재(10)와 투명 기재 상에 형성된 염료가 흡착된 다공성 전이금속 산화물층(20)으로 이루어진 광전극(100), 광전극(100)에 대향하는 상대전극(200), 및 광전극(100)과 상대전극 사이에 채워져 있는 전해질(30)을 포함한다.
상기 상대전극(200)은 전도성 투명 기재(10) 상에 형성된 백금층(40)을 포함하며, 백금층(40)이 광전극(100)의 염료가 흡착된 다공성 전이금속 산화물층(20)과 대향하도록 배치된다.
상대전극(200)에 있어서 전도성 투명 기재(10)는, 광전극(100)에서와 동일하게, 유리 기재 또는 투명 고분자 기재 등의 투명 기재 상, 예를 들어, 유리 기재 또는 투명 고분자 기재 상에, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 및 SnO2-Sb2O3 중 어느 하나를 포함하는 투명 전극이 코팅된 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상대전극(200)에 있어서, 전도성 투명 기재(10) 상에 백금층(40)이 형성된다. 상기 백금층(40)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 이 외에 상기 백금과 함께 또는 백금 대신 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 및 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한 되는 것은 아니다. 상기 백금층과 같은 역할을 하는 전도층은 반사율이 높을수록 효율이 우수하므로 반사율이 높은 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 본원을 설명하는 명세서에서 투명이라는 단어의 의미는 소재의 광투과율이 100%인 경우뿐만 아니라 광투과율이 높은 경우를 모두 포함한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 광전극(100)과 상대전극(200) 사이에는 전해질(30)이 주입되어 있다. 전해질은 예를 들어, 요오드화물(iodide)을 포함하며, 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 전자를 잃었던 염료분자에 받은 전자를 전달하는 역할을 수행한다. 전해질은 실제로는 광전극(100)의 기공 내부로 균일하게 분산되어 있을 수 있다. 예를 들어, 전해질의 제조 방법은 다음과 같다. 상기 전해질은 전해액으로 이루어지며, 상기 전해액은 아이오다이드(iodide)/트리오다이드(triodide) 쌍으로서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료 분자에 전달하는 역할을 수행한다. 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. 또는, 상기 전해질로서는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움(1-butyl-3-methylimidazolium) 0.6 M, 요오드(Iodine, I2) 0.05 M, 리튬 요오드화물(lithium iodide, LiI) 0.1 M, 4-터트-부틸피리딘 (4-tert-buthylpyridine, 4-TBP) 0.5 M의 상기 4 개의 시약을 아세토나이트릴(CAN)에 용해하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 두 개의 전극 사이의 간격을 유지시켜 주는 고분자 필름을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반대 전극으로는 전도성 투명 기재(10)에 백금이 코팅된 것을 사용하며, 수 십 마이크로미터 두께의 고분자 필름을 두 전극 사이에 끼워 넣어 간격을 유지한다. 고분자 필름은 가장자리에만 형성한다.
광전극(100)과 상대전극(200)의 가장 자리에는 밀봉부(50)가 형성될 수 있다. 밀봉부(50)는 열가소성 고분자물질을 포함하며, 열 또는 자외선에 의하여 경화된다. 구체적인 예로, 밀봉부(50)는 에폭시 수지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같이 형성된 염료감응 태양전지에 있어서, 광전극(100)은 전도성 투명 기재(10)와 염료가 흡착된 다공성 복합 산화물 구조체(20)을 포함하며, 상기 다공성 복합 산화물 구조체(20)은 일정한 규칙을 갖는 다공성의 3차원 면심입방 구조로 되어 있어 효과적인 전자 전달 통로가 형성되어 염료감응 태양전지의 광전 변환 효율이 향상된다. 또한, 상기 다공성 복합 산화물 구조체(20)의 3차원 면심입방 구조의 정렬된 벌크-공극(ordered bulk-pore)을 통하여 점성이 높은 고분자 또는 고체 전해질의 침투에 효율적인 통로를 제공해줌으로써 염료감응 태양전지의 장기 안정성이 향상된다.
이하, 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
< 광전극 제조 및 이에 의한 염료감응 태양전지>
본 실시예에서 고분자 콜로이드를 주형으로 한 SnO2/TiO2 복합 구조와 SnO2:F/TiO2 구조 및 이를 포함한 염료감응 태양전지를 제조하였다. 또한, 본 실시예에 있어서, 본원에 따른 상기 광전극을 태양전지의 응용뿐만 아니라, TiO2 및 SnO2 소재가 사용되는 분야, 광촉매 등의 분야에 응용될 수 있으나, 본 실시예에서는 태양전지에 적용된 결과만을 보여주었다. 도 1은 콜로이드 입자를 주형으로 이용한 TiO2 및 SnO2/TiO2, SnO2:F/TiO2 전극 구조 제조 과정을 나타내는 개략도를 나타낸다.
상기 태양 전지는 전도성 투명 기재와, 전도성 투명 기재 상에 형성된 광전극, 광전극에 흡착되어 있는 복수의 염료분자, 전도성 투명 기재에 대향 배치된 백금이 코팅된 상대전극, 두 전극 사이에 채워져 있는 전해질층, 및 두 전극 사이의 간격을 유지시켜주는 밀봉 고분자 필름을 포함하였다. 전도성 투명 기재는 투명한 유리 기재 상에 전도성의 투명전극이 형성되어 있는 구조를 갖게 하였다. 전도성 투명 기재 위에는 광전극이 형성되어 있고, 염료분자가 흡착되어 있다. 여기에서 광전극은 자기조립법으로 제작된 패턴이 역전된 구조로 되어 있으며, 다공성으로 되어 있다. 다공성 구조는 희생층으로 사용된 고분자 입자의 크기를 달리하여 기공의 크기 및 연결을 자유롭게 제어할 수 있다. 또한 다공성 구조는 크게는 수 마이크로미터 정도까지 형성되어 전해질을 도포할 때 원활하게 기공을 채울 수 있는 장점이 있고, 점성이 높은 고분자 또는 고체 전해질의 침투에 효율적인 기공을 제공한다. 본 실시예에 따르는 형성된 큰 기공의 평균 직경은 200 nm 초과 내지 4 um 이하의 범위로 나타났다.
광전극의 형성은 고분자 입자의 자기조립법을 통해, 패턴을 형성하고 상용 이산화티타늄 나노입자를 주입하였다. 도 3은 3차원 기공을 형성 시 750 nm 크기의 고분자 입자를 사용한 전극의 SEM 사진이다. 구체적으로는, 750 nm의 크기를 직경으로 하는 폴리스타이렌 고분자 입자를 자기조립법을 통해 희생층으로 형성하고, 상기 구조에 이산화티타늄 나노 입자를 주입 후 1500 rpm으로 스핀 코팅하여, 희생층 안에 이산화티타늄 나노입자가 침투될 수 있게 하였다. 그 후, SnO2 전구체 또는 SnO2:F 전구체를 주입하였고 500℃의 가열 소성 공정을 2 시간 동안 실시하여, 이산화티타늄 나노입자만 남아있는 다공성 구조를 형성하였다. 본 실시예에서 SnO2 전구체 또는 SnO2:F 전구체로 0.2 M SnO2 에탄올 용액(ethanol solution)을 사용하였다. SnO2:F 전구체를 제조하기 위하여 0.2 M SnO2 에탄올 용액에 포화 불화암모늄(NH4F) 수용액을 상기 용액 속에 주입하여 제조하였다. 도 4는 TiO2, SnO2/TiO2, SnO2:F/TiO2 3차원 다공성 복합 산화물 구조체를 이용하여 제조된 전극의 표면 SEM 사진이다. 또한, 각 전극의 물질 성분을 확인하기 위하여, EDX 를 통하여 성분 분석을 하였으며, 그 결과는 표 1에 나타난 바와 같다.
Figure 112012063924786-pat00001
도 5는 전극 구조 표면에 TiO2 층을 후처리 하여, 그 기공 표면에 후처리 된 TiO2 전극이 형성된 것을 보여주는 표면 SEM 사진이다. 도 6은 중심부의 물질 변화에 따른 염료감응형 태양전지의 효율 측정치 그래프이다.
광전극을 이루는 이산화티타늄 표면에 흡착되어 있는 염료분자로는 루테늄 또는 쿠마린계 염료분자 등 염료감응 태양전지에 사용되는 염료 중 어떤 것도 사용될 수 있다. 구체적으로 본원에서는 루테늄계 염료분자인 N719 염료를 Solaronix 회사로부터 구입하여 사용하였다. N719를 무수 프로판올(anhydrous propanol)에 분산시켜 0.3 mM의 농도로 맞추어 리소그래피로 만든 광전극을 하루 동안 담가 염료를 흡착시켰다. 광전극의 반대전극은 전도성 투명 기재에 평행하게 배치되어 있으며, 유리 등의 기재에 투명전극이 형성되어 있고, 백금층이 형성되었다. 백금층의 형성은 구체적으로 H2PtCl6 용액을 전도성 투명 기재에 떨어뜨린 후, 450℃에서 30 분 동안의 열처리를 통해 전도성 투명 기재에 백금층을 형성하였다. 광전극과 백금이 도포된 전극 사이에 전해질이 있으며, 광전극의 기공 내부에도 존재한다. 전해질은 요오드계 산화-환원 쌍을 갖는 액체 전해질을 사용하였다. 예를 들면 전해질은 1-부틸-3-메틸이미다졸리움(1-butyl-3-methylimidazolium) 0.6 M과 요오드(Iodine, I2)를 0.05 M, 리튬 요오드화물(lithium iodide, LiI) 0.1 M, 4-터트-부틸피리딘 (4-tert-buthylpyridine, 4-TBP) 0.5 M을 아세토니트릴(acetonitrile, ACN)에 용해시킨 후 사용하였으며, 전해질 용액이 새어 나오지 않도록 하기 위해 25 ㎛ 두께의 설린(Surlyn)을 사용하여 밀봉하였다.
상기 실시예에 따라 제조된 염료감응 태양전지를 AM1.5, 100 mW/cm2조건에서 전류밀도 (Jsc), 전압(Voc), 충진계수(FF) 및 에너지 변환효율(EFF.)값을 측정하였고, 그 결과는 표 2에 나타난 바와 같다.
Figure 112012063924786-pat00002
상기 표 2의 결과에서 나타내는 바와 같이, 본원에 따라 제조된 염료감응 태양전지는 최고 6.88% (약 10 ㎛의 두께)의 광전 변환 효율을 보였으며, TiO2 물질만을 사용한 전극과 비교할 때, SnO2:F/TiO2 복합 물질이 적용된 전극의 효율이 약 46.1% 향상된 결과를 보임을 확인할 수 있었다.
결론적으로, TiO2전극 보다 높은 전자 이동도를 갖는 SnO2 물질을 통하여 전자의 이동성을 향상시킬 수 있었으며, SnO2에 F 도핑을 통해, 전자 전도도를 향상시킴으로써, 기존 TiO2 전극과 비교했을 때 보다 효율이 향상되었다. 또한 후처리(post-treatment)방법을 적용하여, 중심부의 복합 구조에 TiO2층을 형성하여, 기존의 다공성 전극이 가지고 있던 단점 중 하나인, 적은 비표면적을 해결하였고, SnO2전극이 전해질에 노출되었을 때의 단점을 해결할 수 있었다. 또한, 희생층으로 사용되는 구형 고분자 입자 크기의 조절을 통해, 수십 나노미터에서 수 마이크로의 다양한 스케일의 패턴 형성이 가능했고, 고농도의 콜로이드 용액을 사용함으로써, 단시간에 희생층을 형성하고, 빠른 시간 내의 전극 제조가 가능하였다.
이상, 실시예를 들어 본원을 상세하게 설명하였으나, 본원은 상기 구현예 및 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본원의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.
10: 전도성 투명 기재
12: 고분자 콜로이드 결정층(희생층)
14: 제 1 전이금속 산화물
16: 주석 산화물 입자
18: 제 2 전이금속 산화물층
20: 제 1 전이금속 산화물(14)과 주석 산화물 입자(16)를 포함하는 다공성 복합 산화물 구조체
30: 전해질
40: 백금층
50: 밀봉부
60: 차단층
100: 광전극
200: 상대전극

Claims (20)

  1. 전도성 투명 기재 상에 콜로이드 결정층을 형성하는 단계;
    상기 콜로이드 결정층 내로 제 1 전이금속 산화물 입자-함유 용액과 주석 산화물 전구체-함유 용액을 주입한 후 소결하여 상기 콜로이드 결정층을 선택적으로 제거함으로써 다공성 복합 산화물 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 다공성 복합 산화물 구조체를 제 2 전이금속 산화물 전구체-함유 용액에 침지시켜 제 2 전이금속 산화물층을 코팅하는 단계
    를 포함하는,
    염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전이금속 산화물 입자-함유 용액과 상기 주석 산화물 전구체-함유 용액은 순차적으로 또는 동시에 상기 콜로이드 결정층 내로 주입되는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 복합 산화물 구조체에 감광성 염료를 흡착시키는 단계를 추가 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전이금속 산화물은 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물 반도체를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전이금속 산화물은 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물 반도체를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주석 산화물은 SnO2, SnO2:F 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전이금속 산화물 입자의 크기는 100 nm 이하인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전이금속 산화물층의 두께는 상기 제 2 전이금속 산화물 전구체- 함유 용액의 농도 또는 상기 침지 시간에 의하여 조절될 수 있는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전이금속 산화물층은 500 nm 이하의 두께를 가지는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜로이드 결정층을 형성하기 전에 상기 전도성 투명 기재 상에 차단층을 형성하는 것을 추가 포함하는, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜로이드 결정층은, 휘발성 용매에 콜로이드 입자가 분산되어 있는 콜로이드 용액을 상기 전도성 투명 기재 상에 도포하는 것을 포함하는 공정에 의하여 형성되는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜로이드 결정층은, 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메싸크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/폴리디비닐벤젠 (PS/DVB = polystyrene/divinylbenzene), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) (PBMA), 또는 이들의 조합을 함유하는 콜로이드 입자를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 복합 산화물 구조체의 기공은 200 nm 내지 5 ㎛ 이하의 크기를 가지는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 소결은 400℃ 내지 600℃의 온도에서 수행되는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
  16. 전도성 투명 기재, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 다공성 복합 산화물 구조체, 및 상기 다공성 복합 산화물 구조체에 흡착된 감광성 염료를 포함하며,
    상기 다공성 복합 산화물 구조체는 제 1 전이금속 산화물 및 주석 산화물을 함유하는 복합 산화물층, 및 상기 복합 산화물층에 코팅된 제 2 전이금속 산화물층을 포함하는 것인,
    염료감응 태양전지용 광전극.
  17. 삭제
  18. 제 16 항에 있어서,
    제 1 항, 제 2 항, 및 제 4 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조되는 것인, 염료감응 태양전지용 광전극.
  19. 광전극, 상기 광전극에 대향되는 상대전극, 및 상기 두 개의 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 광전극은, 전도성 투명 기재, 상기 전도성 투명 기재 상에 형성된 다공성 복합 산화물 구조체, 및 상기 다공성 복합 산화물 구조체에 흡착된 감광성 염료를 포함하며, 상기 다공성 복합 산화물 구조체는 제 1 전이금속 산화물 및 주석 산화물을 함유하는 복합 산화물층, 및 상기 복합 산화물층에 코팅된 제 2 전이금속 산화물층을 포함하는 것인,
    염료감응 태양전지.
  20. 삭제
KR1020120087498A 2012-08-09 2012-08-09 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 KR101363593B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120087498A KR101363593B1 (ko) 2012-08-09 2012-08-09 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120087498A KR101363593B1 (ko) 2012-08-09 2012-08-09 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101363593B1 true KR101363593B1 (ko) 2014-02-19

Family

ID=50271132

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120087498A KR101363593B1 (ko) 2012-08-09 2012-08-09 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101363593B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016080765A1 (ko) * 2014-11-20 2016-05-26 주식회사 엘지화학 공액 디엔계 중합체

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110086269A (ko) * 2010-01-22 2011-07-28 서강대학교산학협력단 광전극의 제조 방법 및 이에 의한 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110086269A (ko) * 2010-01-22 2011-07-28 서강대학교산학협력단 광전극의 제조 방법 및 이에 의한 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016080765A1 (ko) * 2014-11-20 2016-05-26 주식회사 엘지화학 공액 디엔계 중합체

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zheng et al. Novel ZnO-based film with double light-scattering layers as photoelectrodes for enhanced efficiency in dye-sensitized solar cells
KR101177399B1 (ko) 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
Guo et al. Hierarchical TiO2 submicrorods improve the photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells
KR100928941B1 (ko) 염료감응 태양전지와 이의 제조방법
JP2008218394A (ja) 色素増感太陽電池及び色素増感太陽電池の製造方法
Veerappan et al. Multi-functionality of macroporous TiO2 spheres in dye-sensitized and hybrid heterojunction solar cells
Zhang et al. Supramolecular-templated thick mesoporous titania films for dye-sensitized solar cells: Effect of morphology on performance
KR101085100B1 (ko) 광전극의 제조 방법 및 이에 의한 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지
KR101312335B1 (ko) 계층형 다공성 전이금속 산화물 구조체, 상기의 제조 방법, 상기를 포함하는 광전극, 및 상기 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지
KR101253563B1 (ko) 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법
KR101458444B1 (ko) 다공성 전이금속 산화물 구조체, 상기의 제조 방법, 상기를 포함하는 광전극, 및 상기 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지
KR101274948B1 (ko) 다공성 전이금속 산화물 구조체, 상기의 제조 방법, 상기를 포함하는 광전극, 및 상기 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지
KR20120001896A (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 염료감응 태양전지
KR101665637B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 염료감응 태양전지
KR101451114B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
KR101058081B1 (ko) 광간섭 리소그래피를 이용한 광전극의 제조 방법 및 이에 의한 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지
KR101363593B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
KR101160929B1 (ko) 화학용액성장법을 이용한 광전극의 제조 방법, 이에 의한 광전극 및 염료감응형 태양전지
KR101364446B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
KR101800849B1 (ko) 염료감응 태양전지용 산란층, 및 이의 제조 방법
KR101617173B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 및 이의 제조 방법
KR101522920B1 (ko) 금속 산화물-함유 다공성 구조체, 상기의 제조방법, 상기를 포함하는 광전극, 및 상기 광전극을 포함하는 염료 감응형 태양전지
KR101601965B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 및 이의 제조 방법
KR101519355B1 (ko) 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
KR101030040B1 (ko) 다공질막을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법

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: 20170207

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180206

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee