KR101382361B1 - 복합 분리막을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents
복합 분리막을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
염료감응 태양전지용 복합 분리막 및 그를 포함하는 염료감응 태양전지가 개시된다. 본 발명의 복합 분리막을 포함하는 염료감응 태양전지는, 광감응 염료 흡착된 산화물층이 적층된 광전극; 광전극에 대향하는 상대전극; 및 광전극 및 상대전극 사이에 전해액과 복합 분리막을 포함하고, 복합 분리막은, 젤(gel)형이고 다공성의 제1 고분자층; 젤(gel)형이고 다공성의 제2 고분자층; 및 상기 제1 고분자층과 상기 제2 고분자층 사이에 배치되고 다공성의 고체상의 지지체층;을 포함한다. 이에 의하여, 광전환 효율을 높이는 동시에, 전자의 수명을 향상시켜 장기 안정성을 구현하며, 분리막과 광전극 또는 대전극 사이의 계면 접촉 특성을 향상시키고, 기계적 안정성과 높은 이온 전도도를 확보할 수 있다. 또한, 종래 액체 전해질을 적용하는 염료감응 태양전지의 제조공정을 그대로 이용하여 별도의 공정을 도입할 필요가 없어 공정상 경제적인 이점이 있다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광전극과 상대전극 사이에 다공성의 층상 구조를 갖는 복합 분리막을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 광전 에너지 변환 시스템으로, 현재는 주로 실리콘 태양전지가 사용된다. 여기에 사용되는 실리콘은 높은 순도와 낮은 결함을 가져야 하므로 실리콘 태양전지는 전력 당 제조비용이 높다.
한편, 광합성 반응의 원리에 기초한 염료감응 태양전지는 염료 및 전이 금속 산화막을 이용하는 광전기 화학 시스템으로서, 투명성 및 유연성이 높고 공정이 간단하며 생산비용이 실리콘 태양전지에 비해 저렴하다는 장점이 있다. 구체적으로, 염료 감응 태양전지는 광감응 염료층을 포함하는 광전극, 상기 광전극에 대향되는 상대전극, 및 상기 광전극과 상기 상대 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며, 광감응 염료층에 도달한 빛에 의해 광감응 염료층으로부터 여기된 전자가 광전극 및 상대 전극을 거친 후 상대 전극의 촉매 반응에 의한 전해질의 환원 및 산화를 통해 광감응 염료층으로 다시 공급되는 전자 이동 채널을 형성하는 태양 전지이다.
종래에는 전해질을 높은 광전환 효율을 얻을 수 있는 액체 전해질을 주로 사용하였으나, 액체전해질은 일반적으로 휘발성 용매를 사용함으로써 액체 전해질의 누수, 증발로 인해 장기안정성 저하의 문제점을 가지고 있으며, TiO2에 흡착 된 염료의 탈착 문제를 야기 시킬 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 액체 전해질을 이온성 액체, 정공전달물질, 고체 고분자 전해질, 젤 고분자전해질 등으로 교체하려는 연구가 진행되어 왔다. 그러나 이 같은 전해질의 교체는 낮은 이온 전도도를 가져오며, 이로 인해 염료감응 태양전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 복합 분리막을 도입하여 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 높이는 동시에, 전자의 수명을 향상시키며, 분리막과 광전극 또는 대전극 사이의 계면 접촉 특성을 향상시키고, 장기 안정성과 높은 이온 전도도를 확보하는 데 있다.
또한, 종래 액체 전해질을 적용하는 염료감응 태양전지의 제조공정에 있어서, 본 발명의 복합 분리막을 광전극과 상대전극 사이에 물리적으로 개재하여 제조할 수 있으므로 별도의 공정을 도입할 필요가 없이 종래의 공정을 그대로 이용할 수 있는 경제성을 확보하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광감응 염료 흡착된 산화물층이 적층된 광전극;
상기 광전극에 대향하는 상대전극; 및 상기 광전극 및 상대전극 사이에 전해액과 복합 분리막을 포함하고, 상기 복합 분리막은, 젤(gel)형이고 다공성의 제1 고분자층; 젤(gel)형이고 다공성의 제2 고분자층; 및 상기 제1 고분자층과 상기 제2 고분자층 사이에 배치되고 다공성의 고체상의 지지체층;을 포함하는 염료감응 태양전지가 제공된다.
상기 지지체층은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알콜(PVA) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제1 및 제2 고분자층은, PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리아크릴로나이트릴(Poly(acrylonitrile)), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol)), 폴리부틸아크릴레이트(poly(butyl acrylate)), 폴리올리고에틸렌글리콜메타크릴레이트(poly(oligo ethylene glycol methacrylate)) 및 폴리실록산코에틸렌옥사이드(poly(siloxane-co-ethylene oxide))로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 PVdF-HFP는 HFP(hexafluoropropylene)가 1 내지 50mol% 포함된 것일 수 있다.
상기 제1 및 제2 고분자층에 형성된 기공은 직경이 0.01 내지 10.0㎛일 수 있다.
상기 지지체층에 형성된 기공은 직경이 1 내지 30㎛일 수 있다.
상기 복합 분리막의 기공률(porosity)은 10 내지 80%일 수 있다.
상기 지지체층의 두께는 1 내지 50㎛일 수 있다.
상기 복합 분리막의 두께는 5 내지 100㎛일 수 있다.
상기 제1 및 제2 고분자층에 형성된 기공은 상기 지지체층의 표면에 대하여 수직으로 형성될 수 있다.
상기 복합 분리막의 전해질 흡수도(degree of electrolyte absorption)는 30 내지 500wt%일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 투명 전도층이 형성된 투명 기판을 준비하는 단계(단계 a); 상기 투명 전도층상에 나노입자 산화물층을 형성하고 상기 나노입자 산화물층에 광감응 염료를 흡착시켜 광전극을 제조하는 단계(단계 b); 상기 광전극의 염료 흡착된 나노입자 산화물층 상에 복합 분리막을 적층하는 단계(단계 c); 금속 전극이 형성되고, 소정의 위치에 전해액이 주입될 수 있는 홀이 형성된 상대전극을 상기 광전극에 대향하도록 상기 복합 분리막 상에 적층하는 단계(단계 d); 및 상기 광전극과 상기 상대전극 사이를 밀봉하고, 상기 홀을 통하여 전해액을 주입한 후 상기 홀을 밀봉하는 단계(단계 e);를 포함하고, 상기 복합 분리막은, 고분자층을 형성하기 위한 고분자 코팅용액 및 지지체를 준비하는 단계(단계 a'); 및 상기 지지체를 상기 고분자 코팅용액에 침지하여 상기 지지체의 상하면에 제1 및 제2 고분자층을 형성하는 단계(단계 b');를 포함하는 제조방법으로 제조되는 염료감응 태양전지의 제조방법이 제공된다.
상기 단계 a'의 고분자 코팅용액은 고분자 물질을 아세톤에 용해시킨 후, 물을 첨가하여 제조할 수 있다.
상기 고분자 코팅용액에서 상기 고분자 물질의 함량은 1 내지 50wt%일 수 있다.
상기 고분자 코팅용액에 첨가된 물의 최종 함량은 1 내지 20wt%일 수 있다.
상기 단계 b'에서 상기 지지체를 상기 고분자 코팅용액에 침지하는 것은 1분 내지 30분 동안 수행될 수 있다.
상기 단계 b' 이후, 아세톤과 물을 증발시켜 건조하는 단계(단계 c')를 추가로 포함할 수 있다.
상기 단계 c'는 아세톤이 증발하는 동안 물이 고분자의 상분리(phase separation)를 유도하여 제1 및 제2 고분자층의 다공성 구조를 형성할 수 있다.
본 발명은 염료감응 태양전지에 복합 분리막을 도입함으로써 광전환 효율을 높이는 동시에, 전자의 수명을 향상시켜 장기 안정성을 구현하며, 분리막과 광전극 또는 대전극 사이의 계면 접촉 특성을 향상시키고, 기계적 안정성과 높은 이온 전도도를 확보할 수 있다. 또한, 종래 액체 전해질을 적용하는 염료감응 태양전지의 제조공정을 그대로 이용하여 별도의 공정을 도입할 필요가 없어 공정상 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 염료감응 태양전지의 구조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법을 순차적으로 나타낸 개략적인 공정도이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 염료감응 태양전지의 복합 분리막에 대한 표면 FE-SEM 이미지이다.
도 4는 실시예 2 및 비교예 2에 따른 염료감응 태양전지의 복합 분리막에 대한 표면 FE-SEM 이미지이다.
도 5는 실시예 1에 따른 염료감응 태양전지의 복합 분리막 측면 FE-SEM 이미지이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 염료감응 태양전지에서 분리막의 기공(pore) 크기의 분포를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1, 3, 4 및 5의 염료감응 태양전지에서 복합 분리막 표면의 FE-SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 광전류 밀도-전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 9는 등가회로 모델(a)과 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 스펙트럼(b)을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 및 IMPS/IMVS 측정을 통한 전자 재결합 저항과 전자 수명을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 TiO2/전해질 계면에서 빛의 세기에 따른 전자이동시간(τt) 및 전자 재결합 시간(τe)을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 시간 경과에 따른 광전환 효율을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법을 순차적으로 나타낸 개략적인 공정도이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 염료감응 태양전지의 복합 분리막에 대한 표면 FE-SEM 이미지이다.
도 4는 실시예 2 및 비교예 2에 따른 염료감응 태양전지의 복합 분리막에 대한 표면 FE-SEM 이미지이다.
도 5는 실시예 1에 따른 염료감응 태양전지의 복합 분리막 측면 FE-SEM 이미지이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 염료감응 태양전지에서 분리막의 기공(pore) 크기의 분포를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1, 3, 4 및 5의 염료감응 태양전지에서 복합 분리막 표면의 FE-SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 광전류 밀도-전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 9는 등가회로 모델(a)과 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 스펙트럼(b)을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 및 IMPS/IMVS 측정을 통한 전자 재결합 저항과 전자 수명을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 TiO2/전해질 계면에서 빛의 세기에 따른 전자이동시간(τt) 및 전자 재결합 시간(τe)을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 시간 경과에 따른 광전환 효율을 나타낸 것이다.
본 발명의 복합 분리막을 포함하는 염료감응 태양전지의 구조에 대하여 설명한 후, 그의 제조방법을 순차적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 염료감응 태양전지의 개략도이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명의 염료감응 태양전지의 구조를 설명하도록 한다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 광전극(10), 상대전극(30), 전해액(40) 및 복합 분리막(20)을 포함하며, 광전극(10)과 상대전극(30) 사이에 전해액(40)과 복합 분리막(20)이 개재된다.
광전극(10)은 투명기판(12), 투명기판상에 투명전도층(14), 나노입자 산화물층(16)이 차례로 적층되고, 나노입자 산화물층(16)에는 광감응 염료(18)가 흡착될 수 있다. 또한, 상대전극(30)은 기판(32), 기판상에 투명전도층(34), 금속전극(36)이 차례로 적층될 수 있다.
투명기판(12)는 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리이미드(PI) 등 광투과성이 있는 것은 제한없이 사용할 수 있다.
또한, 기판(32)은 투명기판(12)과 동일한 것을 사용할 수 있으며, 광투과도가 낮은 소재도 적용할 수 있다.
투명전도층(14, 34)는 투명기판(12) 또는 기판(32)상에 배치되고, 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO), 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO) 등을 적용할 수 있으며, 바람직하게는 불소가 도핑된 틴 옥사이드를 적용할 수 있다.
나노입자 산화물층(16)은 투명전도층(12)상에 배치되고, 나노입자로 이루어진 금속산화물로서 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, 또는 TiSrO3을 적용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 TiO2를 적용할 수 있다.
광감응 염료(18)는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등(L은 2,2’-바이피리딜-4,4’-디카르복실레이트)의 루테늄 착물을 사용하는 것이 바람직하나 본 발명의 범위가 여기에 한정되는 것은 아니다.
금속전극(36)은 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru) 및 이들 중 둘 이상의 합금을 적용할 수 있으며, 바람직하게는 백금을 사용할 수 있다.
전해액(40)은 요오드계 산화, 환원 액체 전해질을 적용할 수 있다.
상기 광전극(10)과 상대전극(30) 사이에 개재되는 복합 분리막(20)은 도시된 바와 같이 제1 고분자층(22), 지지체층(24) 및 제2 고분자층(26)이 적층된 형태로 구성된다.
상세하게는, 상기 복합 분리막은 젤(gel)형이고 다공성의 1 고분자층과 동일한 제2 고분자층을 포함하며, 그 사이에 다공성의 고체상의 지지체층이 개재될 수 있다.
상기 지지체층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리에틸렌(PE)을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 사용할 수 있다.
상기 제1 및 제2 고분자층은, PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리아크릴로나이트릴(Poly(acrylonitrile)), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol)), 폴리부틸아크릴레이트(poly(butyl acrylate)), 폴리올리고에틸렌글리콜메타크릴레이트(poly(oligo ethylene glycol methacrylate)), 폴리실록산코에틸렌옥사이드(poly(siloxane-co-ethylene oxide)) 등을 사용할 수 있다. 상기 고분자층은 전해액에 친화성이 높은 것이 바람직하다. 고분자층으로 상기 PVdF-HFP를 사용하는 경우, HFP (hexafluoropropylene)의 함량은 1 내지 50mol% 함량으로 포함된 것이 바람직하다.
상기 지지체층에 형성된 기공은 직경이 1 내지 30㎛의 범위로 거대 기공 구조를 갖는 것이 바람직하며, 상기 제1 및 제2 고분자층에 형성된 기공은 직경이 0.01 내지 10.0㎛ 범위의 미세 기공 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제1 및 제2 고분자층에 형성된 기공은 상기 지지체의 표면에 대하여 수직으로 형성될 수 있다.
상기 복합 분리막의 기공률(porosity)은 10 내지 80%인 것이 바람직하다.
상기 지지체의 두께는 1 내지 50㎛일 수 있고, 상기 복합 분리막의 두께는 5 내지 100㎛일 수 있다.
상기 복합 분리막의 전해질 흡수도(degree of electrolyte absorption)는 30 내지 500wt%인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법을 순차적으로 나타낸 개략적인 공정도이다. 이하 도 2를 참조하여 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하도록 한다.
먼저, 투명 전도층이 형성된 투명 기판을 준비한다(단계 a).
경우에 따라, 상기 투명 전도층상에 블로킹층을 추가로 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 투명 전도층상에 나노입자 산화물층을 형성하고 상기 나노입자 산화물층에 광감응 염료를 흡착시켜 광전극을 제조한다(단계 b).
나노입자 산화물층은 TiO2층을 적용할 수 있으며, 나노입자 산화물층이 형성된 전극을 광감응 염료를 포함하는 용액에 침지시키는 방법으로 광감응 염료를 흡착시킬 수 있다.
광전극이 제조되면, 광감응 염료 흡착된 나노입자 산화물층 상에 복합 분리막을 적층한다(단계 c).
상기 복합 분리막은 아래의 방법으로 제조하여 준비할 수 있다.
먼저, 고분자층을 형성하기 위한 고분자 코팅용액 및 지지체를 준비한다(단계 a').
상기 고분자 코팅용액은 고분자 물질을 아세톤에 용해시킨 후, 물을 천천히 첨가하여 상기 코팅용액의 상 전환(phase inversion)을 유도 및 제어하도록 할 수 있다. 이때, 제조된 코팅용액에서 상기 고분자 물질의 함량은 1 내지 50wt%의 범위로 하는 것이 바람직하며, 최종 첨가된 물의 함량은 1 내지 20wt%가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 지지체는 상술한 바와 같이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF) 을 적용할 수 있다.
다음으로, 상기 지지체를 상기 코팅용액에 침지하여 상기 지지체의 상하면에 제1 및 제2 고분자층을 형성시킨다(단계 b').
이때, 침지시간은 1분 내지 30분 동안 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
이후, 코팅층에서 아세톤과 물을 증발시키기 위하여 건조 과정을 거친다(단계 c').
상기 건조 과정에서 아세톤이 물보다 먼저 증발되고, 물은 아세톤이 증발하는 동안 상분리(phase separation)를 유도하여 고분자가 풍부한 상(polymer-rich phase)과 고분자가 부족한 상(polymer-rich phase)으로 나누어 고분자층의 다공성의 구조를 형성할 수 있다.
이후, 금속 전극이 형성되고, 소정의 위치에 전해액이 주입될 수 있는 홀이 형성된 상대전극을 상기 복합 분리막을 사이에 두고 상기 광전극에 대향하도록 적층한다(단계 d).
마지막으로, 상기 광전극과 상기 상대전극 사이를 밀봉하고, 상기 홀을 통하여 전해액을 주입한 후 상기 홀을 밀봉하여 염료감응 태양전지를 완성한다(단계 e).
이하 본 발명의 구성을 아래의 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
제조예
1: 코팅용액 1
복합 분리막을 위한 코팅용액은 HFP 함량 6mol%인 PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene))을 아세톤에 녹이고, PVdF-HFP의 농도는 10wt%가 되도록 하였다. 코팅용액의 상 전환(phase inversion)을 유도하고 제어하기 위하여 미리 정해진 양의 물(용제가 아님)을 용액에 천천히 가하며, 코팅용액의 최종 물의 함량은 5wt%가 되도록 하여 코팅용액 1을 제조하였다.
제조예
2: 코팅용액 2
물의 함량이 1wt%가 되도록 한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 PVdF-HFP 코팅용액 2를 제조하였다.
제조예
3: 코팅용액 3
물의 함량이 2wt%가 되도록 한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 PVdF-HFP 코팅용액 3을 제조하였다.
제조예
4: 코팅용액 4
물의 함량이 7wt%가 되도록 한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 PVdF-HFP 코팅용액 4를 제조하였다.
실시예
1: 복합 분리막을 포함하는 염료감응 태양전지
복합 분리막의 지지체로서 습식공정을 위한 PET 분리막(Mitsubishi, 두께 17㎛, 기공률 70%)을 준비하였다. 먼저 복합 분리막을 제조하기 위하여 PET 분리막을 제조예 1에 따라 제조한 코팅용액 1에 3분간 침지시키고, 이후, 균일한 두께의 코팅을 위하여, 침지된 분리막을 꺼내 유리판에 올려놓은 후, 직경 6 mm의 stainless steel rod에 직경 0.3 mm 의 stainless steel wire가 감겨져 있는 Meyer bar를 사용하여 부직포의 한쪽 끝으로부터 반대방향까지 밀어주었다. Mayer bar coating이 완료된 PET 분리막은 실온에서 아세톤과 물을 증발시키고, 이후, 진공오븐에서 50℃에서 12시간 동안 건조시켰다. 이와 같이 제조된 복합 분리막의 최종두께는 약 23㎛이 되도록 하였다.
FTO 전도층이 형성된 글래스(TEC8, Pilkington, 8 Ω/□, glass thickness of 2.3 mm)을 준비하고, 에탄올로 미리 세척하였다. 상기 FTO 글래스 기판은 스핀코팅에 의해 0.15 M의 1-butanol 에 녹인 titanium (IV) bis(ethylacetoacetato) diisopropoxide 용액으로 코팅하고, 이후, 500℃에서 10분 동안 소결(sintering)하였다.
상기와 같이 준비된 투명도전기판은 TiO2 페이스트(ENB Corp., 입자크기 20 nm)를 닥터 블레이드법으로 코팅하고, 500℃에서 30분 동안 소결하였다. 광감응 염료의 흡착을 위하여, 어닐링(annealing)된 TiO2 코팅된 투명도전기판은 0.5 mM 의 N-719 dye (Solaronix)염료를 포함하는 에탄올에 60℃에서 3시간 동안 침지시켜 광전극을 제조하였다.
백금 상대전극은 상기 투명도전기판에 2-프로판올에 녹인 7mM의 H2PtCl6 ·6H2O 용액을 드롭 캐스팅(drop casting)하여 별도로 제조하고, 400℃에서 20분 동안 소결시켰다.
제조된 광전극과 백금 상대전극(셀 활성 영역= 0.4 cm2)을 각각 준비하고 상기 광전극상에 제조예 1에 따라 제조된 복합 분리막을 적층하고, 복합 분리막 상에 백금 상대전극을 적층하였다. 다시 말해, 상기 광전극과 백금 상대전극 사이에 복합 분리막을 삽입하였다.
염료-흡착된 광전극과 백금 상대전극은 썰린(Surlyn)(Solaronix 1170-60)으로 결합되고, 다음으로 에폭시 실란트(PV Tech Inc. HSP)로 밀봉하였다.
전해액은 이후 상대전극에 형성된 홀을 통하여 염료감응 태양전지에 도입된다. 여기서, 전해액은 0.7M 1-propyl-3-methyl immidazoliuim iodide (> 99%, C-Tri), 0.03M iodine (> 99.8%, Aldrich), 0.05M guanidinium thiocyanate (>97%, Aldrich) 및 0.5M 4-tert-butylpyridine (99%, Aldrich)을 acetonitrile (99.5%, Duksan)과 valeronitrile (99.5%, Aldrich) (v/v, 85/15)로 구성된 용제에 녹인 것을 사용하였다.
전해액 주입 후에는 상대전극에 형성된 홀을 밀봉하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예
2
복합 분리막 제조에 사용되는 지지체를 PET 분리막 대신 PE 분리막(Tonen, 두께 20㎛, 기공률 45%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예
3
복합 분리막 제조에 사용되는 코팅용액을 코팅용액 1 대신 코팅용액 2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예
4
복합 분리막 제조에 사용되는 코팅용액을 코팅용액 1 대신 코팅용액 3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예
5
복합 분리막 제조에 사용되는 코팅용액을 코팅용액 1 대신 코팅용액 4를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예
1
복합 분리막 대신 고분자층 코팅처리 되지 않은 PET 분리막을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예
2
복합 분리막 대신 고분자층 코팅처리 되지 않은 PE 분리막을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예
3
분리막을 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[시험예]
분리막의 형태는 FE-SEM 현미경(FE-SEM, Hitachi S-4700)으로 관찰했다. 광전환효율(η)은 마스킹(masking)없이 1 SUN (AM 1.5)의 조명 하에서 2 x 2 Class A ASTME 927-05 solar simulator (Newport Co., 150 W Xenon lamp)에 의해 측정되었다. 염료감응 태양전지의 광화학적 특성은 전기화학적 임피던스 분광기(EIS, Solartron Frequency Response Analyzer 1260)를 전기화학 계측장비(potentiostat/galvanostat) (Solartron Electrochemical Interface 1287)와 함께 사용함으로써 실온에서 조사하였다.
EIS 측정은 0.01 내지 106 Hz 주파수 범위에서 수행되었다. AC 진폭은 10 mV이고 바이어스 포텐셜(bias potential)은 개방회로에서 0V로 맞추었다. 임피던스 파라미터(전하 이동 저항)는 Z-view software를 사용하여 임피던스 스펙트럼을 피팅함으로써 분석되었다. 이온 전도율(σ)은 하기 식에 따라 계산되었다.
σ= L / A·R
여기서, L은 전극 사이의 거리이고, A는 활성 영역 면적이다. 저항(R)은 임피던스 스펙트럼의 실수축을 갖는 Nyquist plot의 인터셉트에서 얻었다. EIS 측정은 암조건에서 수행되었고, 여기서 AC 진폭은 10 mV이고 순 바이어스는 0.4 ~ 0.7 V로 하였다.
전자 수명(τn)은 하기 식에 따라 계산되었다.
τn = Rct·Cμ
여기서 Rct는 전하 재결합 저항을 나타내고, Cμ는 화학적 캐패시턴스이다. IMPS (ntensity modulated photocurrent spectroscopy)와 IMVS(ntensity modulated photovoltage spectroscopy)은 CIMPS 반응 분석기(Zahner Elektrik GmbH)에 의해 작동되는 청색 발광다이오드(LED, λ= 480 nm)에 의해 수행되었다.
시험예
1: 복합 분리막의 다공성
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 복합 분리막의 FE-SEM 이미지이다. 상세하게는, 도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 복합 분리막의 표면 FE-SEM 이미지이고, 도 4는 실시예 2 및 비교예 2에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 복합 분리막의 표면 FE-SEM 이미지이며, 도 5는 실시예 1에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 복합 분리막의 측면 FE-SEM 이미지이다.
아래 표 1에는 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 염료감응 태양전지에 포함되는 복합 분리막의 특성을 비교하여 나타낸 것이다.
| 분리막 | 두께 (μm) |
기공률 (%) |
전해질 흡수도(wt%) | 전해질 증발도(wt%) |
| 실시예 1 | ~23 | 56 | 370 | 15 |
| 실시예 2 | ~25 | 23 | 197 | 17 |
| 비교예 1 | ~17 | 70 | 253 | 17 |
| 비교예 2 | ~20 | 45 | 191 | 17 |
표 1 및 도 3 내지 도 5에 따르면, 비교예 1에 적용되는 분리막에서는 섬유질 사이에 큰 기공이 형성된 다공성 층이 나타나며, 70%까지의 상대적으로 높은 기공률(porosity)을 갖는다. 반면에, 실시예 1의 복합 분리막은 두 PVdF-HFP 층 사이에 PET 분리막이 끼워진 샌드위치 형의 3층 구조를 가지며, 각 PVdF-HFP 층 두께는 상기 표 1의 데이터로 계산해 볼 때 3㎛ 이하인 것으로 판단된다. PVdF-HFP 층은 상대적으로 균일한 마이크로 수준의 기공을 갖고 있는 것을 알 수 있다.
PVdF-HFP층의 미세기공 구조의 발달은 공정 중 PVdF-HFP/아세톤/물 코팅용액의 상 전환(phase separation)에서 설명될 수 있다. 물의 한계량(5 wt%)을 PVdF-HFP/아세톤 용액에 첨가하여 제조된 코팅용액이 PET 분리막에 가해질 때, 물은 아세톤이 증발하는 동안 상분리(phase separation)를 유도할 수 있다. 다시 말해, 아세톤이 증발됨에 따라 코팅용액은 상분리가 이루어지고, 폴리머가 풍부한 상(polymer-rich phase)(멤브레인에서 폴리머 백본이 됨)과 폴리머 부족한 상(멤브레인에서 기공이 됨)으로 나누어 질 수 있다.
따라서, 처음에 투명하던 코팅층은 점차 불투명하게 굳어져 미세기공 구조의 코팅층이 된다. PVdF-HFP층의 기공은 PET 분리막에 수직으로 형성되고, 이는 효과적인 이온 수송에 유용한 역할을 할 수 있다.
비교예 1의 분리막에서 전해질 흡수도가 253wt%으로 비교예 2의 분리막의 전해질 흡수도인 191wt% 보다 훨씬 더 높게 나타난 것은 PET의 극성에 의해 다공성의 구조가 더 잘 발달한 때문인 것으로 보인다. 실시예 1의 복합 분리막 (~56wt%)의 기공률 (Porosity)이 비교예 1의 분리막(~70wt%)의 기공률에 비해 훨씬 낮음에도 불구하고, 전해질 흡수도가 370wt%로 비교예 1의 분리막(~253wt%) 보다 훨씬 높았다. 이는 PVdF-HFP 코팅층의 높은 전해질 친화성을 나타낸다고 볼 수 있다. 또한, 실시예 1의 복합 분리막은 상대적으로 낮은 전해질 증발도를 나타내므로 코팅처리 되지 않은 분리막에 비하여 전해질의 누수 및 증발을 최소화할 수 있음을 나타낸다.
비교예 1의 분리막과는 달리 비극성의 비교예 2의 분리막은 불규칙하지만 휠씬 작은 서브미크론 수준의 기공(~0.1㎛)이 나타난다. 따라서 상대적으로 낮은 기공률(~45%)과 낮은 전해질 흡수도(~191wt%)를 나타낸다. 그러나 코팅처리를 한 실시예 2의 복합 분리막에서는 실시예 1의 분리막과 유사하게, 전해질 흡수도를 197wt%까지 향상시킨 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 분리막의 기공 크기의 분포를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6에 따르면, 실시예 1의 복합 분리막에 형성된 기공이 비교예 1의 분리막 기공에 비해 상대적으로 직경이 작아진 것을 알 수 있다.
시험예
2: 코팅용액의 물 첨가량에 따른 복합 분리막의 기공 형성
도 7은 본 발명의 실시예 1, 3, 4 및 5에 따른 염료감응 태양전지의 복합 분리막 표면의 FE-SEM 이미지이다.
도 7에 따르면, PVdF-HFP 층 코팅용액에 첨가되는 물의 양이 적을수록 기공이 더 작게 형성되는 것을 알 수 있다.
시험예
3: 염료감응 태양전지의 성능
도 8은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 광전류 밀도-전압 곡선을 나타낸 것이며, 아래 표 2에는 본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 성능 분석 결과를 나타냈다.
| 염료감응 태양전지 | VOC (V) |
JSC (mA/cm2) |
FF | η (%) |
| 실시예1 | 0.758 | 13.3 | 55.1 | 5.5 |
| 실시예2 | 0.737 | 11.9 | 48.1 | 4.2 |
| 실시예3 | 0.707 | 13.5 | 52.2 | 5.0 |
| 실시예4 | 0.717 | 13.8 | 55.0 | 5.4 |
| 비교예1 | 0.687 | 12.8 | 54.2 | 4.8 |
| 비교예2 | 0.737 | 11.7 | 47.5 | 4.1 |
| 비교예3 | 0.788 | 12.2 | 64.7 | 6.2 |
* VOC: 개방회로 전압
JSC: 단락회로 전류밀도
FF: 충진인자(Fill Factor)
Η: 광전환효율
도 8과 표 2에 따르면, 분리막을 사용하지 않은 비교예 3의 염료감응 태양전지는 광전환효율(η이 6.2%였다. 그리고 종래의 분리막을 사용한 비교예 1 및 2에 따른 태양전지는 각각 광전환효율이 4.8% 및 4.1%였다. 이와 같이 낮은 광전환효율은 분리막을 사용하지 않은 비교예 3의 태양전지에 비하여 낮은 충진인자 때문에 나타나는 것으로 볼 수 있다. 이는 분리막과 전극 사이의 계면 전하 이동 저항이 증가한 것을 나타낸다. 분리막으로 사용되는 PET, PE 는 절연성 때문에 전기저항이 높아질 수 있으며, PET 에 비하여 PE 분리막에서는 낮은 전해질 흡수도 때문에, 낮은 충진인자와 광전환효율이 나타날 수 있다.
PET를 분리막에 포함하는 실시예 1, 3 및 4 및 비교예 1의 태양전지는 상대적으로 높은 충진인자 값을 가지며, 이는 높은 기공률과 PET 분리막의 전해질 친화성에 따른 것으로 판단된다. 실시예 1의 태양전지는 표 2에 나타난 바와 같이 광전환효율이 5.5%로 나타났다. 이는 분리막을 도입한 태양전지 중에서 가장 높은 광전환효율을 나타내는 것이며, 분리막을 도입하지 않은 비교예 3에 비하여 11%만 효율이 낮아진 것을 알 수 있다.
시험예 2에서 살펴본 바와 같이, 코팅용액에 첨가되는 물의 양이 적을수록 PVdF-HFP 코팅층에 더 작은 크기의 기공을 만들었다. 가장 작은 기공을 갖는 실시예 3의 태양전지는 광전환효율이 5.0%로 나타났고, 그 다음으로 기공이 작은 실시예 4의 태양전지는 광전환효율이 5.4%로 실시예 1의 5.5%보다 다소 낮게 나타났으나, PVdF-HFP층을 형성하지 않은 비교예 1에 비하여서는 더 높은 효율을 나타내었다.
다시 말해, PVdF-HFP층이 형성된 분리막은 기공의 크기가 PVdF-HFP층이 형성되지 않은 분리막에 비하여 작더라도 상대적으로 높은 광전환효율을 나타내며, PVdF-HFP층이 형성된 복합 분리막 중에서는 기공의 크기가 클수록 더 높은 광전환효율을 나타냄을 알 수 있었다.
시험예
4: 염료감응 태양전지의 임피던스 평가
도 9는 등가회로 모델(a)과 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 스펙트럼(b)을 나타낸 것이고, 아래 표 3은 표준 전해질에서의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 내부저항 및 이온 전도성을 나타낸 것이다.
| 염료감응 태양전지 | Active Area (cm2) | R1 (W) |
R2 (W) |
R3 (W) |
RS (W) |
Ionic conductivity (mS/cm) |
| 실시예 1 | 0.386 | 1.604 | 3.386 | 2.143 | 2.128 | 7.25 |
| 실시예 2 | 0.403 | 1.597 | 3.269 | 4.124 | 2.268 | 3.61 |
| 비교예 1 | 0.408 | 2.186 | 3.192 | 2.237 | 2.044 | 6.57 |
| 비교예 2 | 0.408 | 2.428 | 3.053 | 3.870 | 2.077 | 3.80 |
| 비교예 3 | 0.385 | 1.81 | 3.178 | 0.811 | 2.092 | 19.22 |
임피던스 스펙트럼은 EIS를 수행하여 염료감응 태양전지의 전기화학적 임피던스 특성을 측정하였다. EIS 데이터를 얻기 위하여 등가회로 모델을 도입하였으며, 이에 따르면, 도시된 바와 같이 0.01 Hz 내지 106 Hz의 주파수에서 3개의 반원이 나타난 것을 볼 수 있다.
높은 주파수 영역에서의 옴 시리즈 저항(RS)은 전해질과 FTO의 저항과 관련 있었다. 반면에, 전하 이동 프로세스와 관련있는 R1, R2 및 R3은 상대전극, 광전극 및 Warburg diffusion에서 각각 일어났다.
R1 값은 실시예 1 및 2의 염료감응 태양전지가 비교예 1, 2, 및 3 염료감응 태양전지에 비하여 상대전극/분리막 계면에서 더 낮은 전하 이동 저항을 갖는다는 것을 나타낸다. 이와 같은 결과는 백금 상대전극과 복합 분리막 사이의 계면 접촉이 매우 향상된 것을 나타낸다. 즉, 전해질 친화성의 PVdF-HFP 젤층이 분리막과 접합되었기 때문인 것으로 판단할 수 있다. 분리막 존재 하에서 광전극이 충분히 적셔진 염료감응 태양전지의 매우 낮은 R2 값은 비교예 3에서의 값과 거의 같음을 알 수 있다.
R3 값으로부터 계산된 종합적인 태양전지의 이온 전도도는 분리막을 갖는 태양전지 중에서 PET를 포함하는 실시예 1에 따른 염료감응 태양전지가 최고치를 나타내었다.
시험예
5: 전자 재결합 저항(
R
CT
) 및 전자 수명(τ
n
)
도 10은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 임피던스 및 IMPS/IMVS 측정을 통한 전자 재결합 저항과 전자 수명을 나타낸 그래프이다.
EIS 측정은 전지의 TiO2/전해질 계면 거동(interfacial behaviors)을 이해하기 위하여 수행되었다. 여기서 염료감응 태양전지는 축전기를 누설시키는 것처럼 행동하였다. 순 바이어스에서 전자는 TiO2 네트워크를 통하여 전해질로 이동하고 I3 -와 반응하였다.
전자 재결합 저항(RCT)은 실시예 1 및 2에 따른 염료감응 태양전지가 비교예 1 및 2에서 보다 훨씬 높고, 분리막을 사용하지 않은 비교예 3의 경우와는 오히려 비슷한 정도로 나타났다. 이는 PVdF-HFP 고분자층에 의해 광전극을 효과적으로 커버하였음을 나타낸다.
전자수명은(τn) 또한 실시예 1 및 2에서 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지에 비하여 훨씬 높게 나타났다. 이는 여기자의 높은 안정성과 TiO2 와 I3 - 사이의 충돌 빈도를 감소시킨다는 것을 나타낸다.
여기자의 연장된 수명과 향상된 전자 재결합 저항은 TiO2 나노구조를 통하여 염료로부터 FTO 글래스로 전자의 수집 및 흐름이 용이하도록 하여, 결과적으로 염료감응 태양전지의 photo-to-electron performances를 향상시키고, 복합 분리막을 도입함으로써 종래 단일 분리막을 사용하는 것에 비하여 광전환 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
시험예
6: 전자 이동 시간 (τ
t
) 및 전자 재결합 시간(τ
e
)
도 11은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 TiO2/전해질 계면에서 빛의 세기에 따른 전자 이동 시간(τt) 및 전자 재결합 시간(τe)을 나타낸 그래프이다. 조명 하에서의 계면특성은 IMPS, IMVS와 같은 광학 임피던스 기술을 이용하여 평가하였다.
IMPS는 메조스코픽 TiO2을 통하여 단락회로 상태에서 광전극으로 전자 이동 시간(τt)을 조사하였다. IMVS는 광주입된 전자의 재결합 수명을 제공한다. 여기서 광주입된 전자는 전해질의 I3 -과 재결합하거나 개방회로 상태에서 염료를 산화시켰다. 이것은 전자수명과 비슷한 의미를 갖는다. 전자 이동 시간에 있어서는 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에서 눈에 띄는 차이를 나타내지 않았다.
그러나 전자 재결합 시간에 있어서는 비교예 3, 비교예 1, 비교예 2, 실시예 2, 실시예 1의 순서로 증가되는 것으로 나타났으며, 이와 같은 결과는 PVdF-HFP 고분자층이 전자 재결합 프로세스를 효과적으로 억제했다는 것을 나타낸다.
시험예
7: 장기 안정성 분석
도 12는 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 염료감응 태양전지의 시간 경과에 따른 광전환 효율을 나타낸 것이다.
도 12에 따르면, 비교예 3에 따른 염료감응 태양전지는 1000시간 이 경과하면서 광전환 효율이 27.4% 가량 꾸준히 감소하였다. 이에 반해, 실시예 1에 따른 염료감응 태양전지는 광전환 효율이 거의 변화가 없었으며 장기 안정성이 우수한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 우수한 전해질 흡수와 유지 능력으로부터 기인한 것으로 판단된다. 또한, PVdF-HFP 고분자층의 코팅에 의해 TiO2 표면에 염료의 피막 역할을 수행하였다고 볼 수 있다.
미세기공성의 PVdF-HFP 고분자층과 거대기공성의 PET 또는 PE 지지체를 포함하는 3층의 복합 분리막은 높은 이온 전도성, 전해질 보유 능력, 분리막과 전극간의 계면 접촉 특성 향상 및 염료의 효과적인 보호 등을 달성한 것을 알 수 있다.
10: 광전극 12: 투명기판
14: 투명전도층 16: 나노입자 산화물층
18: 광감응 염료 20: 복합 분리막
22: 제1 고분자층 24: 지지체층
26: 제2 고분자층 30: 상대전극
32: 기판 34: 투명전도층
36: 금속전극 40: 전해액
14: 투명전도층 16: 나노입자 산화물층
18: 광감응 염료 20: 복합 분리막
22: 제1 고분자층 24: 지지체층
26: 제2 고분자층 30: 상대전극
32: 기판 34: 투명전도층
36: 금속전극 40: 전해액
Claims (18)
- 광감응 염료 흡착된 산화물층이 적층된 광전극;
상기 광전극에 대향하는 상대전극; 및
상기 광전극 및 상대전극 사이에 전해액과 복합 분리막을 포함하고,
상기 복합 분리막은,
젤(gel)형이고 다공성의 제1 고분자층;
젤(gel)형이고 다공성의 제2 고분자층; 및
상기 제1 고분자층과 상기 제2 고분자층 사이에 배치되고 다공성의 고체상의 지지체층;을
포함하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 지지체층은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알콜(PVA) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 고분자층은, PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리아크릴로나이트릴(Poly(acrylonitrile)), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol)), 폴리부틸아크릴레이트(poly(butyl acrylate)), 폴리올리고에틸렌글리콜메타크릴레이트(poly(oligo ethylene glycol methacrylate)) 및 폴리실록산코에틸렌옥사이드(poly(siloxane-co-ethylene oxide))로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제3항에 있어서,
상기 PVdF-HFP는 HFP(hexafluoropropylene)가 1 내지 50mol% 포함된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 고분자층에 형성된 기공은 직경이 0.01 내지 10.0㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 지지체층에 형성된 기공은 직경이 1 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 복합 분리막의 기공률(porosity)은 10 내지 80%인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 지지체층의 두께는 1 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 복합 분리막의 두께는 5 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 고분자층에 형성된 기공은 상기 지지체층의 표면에 대하여 수직으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 복합 분리막의 전해질 흡수도(degree of electrolyte absorption)는 30 내지 500wt%인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 투명 전도층이 형성된 투명 기판을 준비하는 단계(단계 a);
상기 투명 전도층상에 나노입자 산화물층을 형성하고 상기 나노입자 산화물층에 광감응 염료를 흡착시켜 광전극을 제조하는 단계(단계 b);
상기 광전극의 염료 흡착된 나노입자 산화물층 상에 복합 분리막을 적층하는 단계(단계 c);
금속 전극이 형성되고, 소정의 위치에 전해액이 주입될 수 있는 홀이 형성된 상대전극을 상기 광전극에 대향하도록 상기 복합 분리막 상에 적층하는 단계(단계 d); 및
상기 광전극과 상기 상대전극 사이를 밀봉하고, 상기 홀을 통하여 전해액을 주입한 후 상기 홀을 밀봉하는 단계(단계 e);를 포함하고,
상기 복합 분리막의 제조방법은,
고분자층을 형성하기 위한 고분자 코팅용액 및 지지체를 준비하는 단계(단계 a'); 및
상기 지지체를 상기 고분자 코팅용액에 침지하여 상기 지지체의 상하면에 제1 및 제2 고분자층을 형성하는 단계(단계 b');를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 단계 a'의 고분자 코팅용액은 고분자 물질을 아세톤에 용해시킨 후, 물을 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 고분자 코팅용액에서 상기 고분자 물질의 함량은 1 내지 50wt%인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 고분자 코팅용액에 첨가된 물의 최종 함량은 1 내지 20wt%인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 단계 b'에서 상기 지지체를 상기 고분자 코팅용액에 침지하는 것은 1분 내지 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 단계 b' 이후, 아세톤과 물을 증발시켜 건조하는 단계(단계 c')를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제17항에 있어서,
상기 단계 c'는 아세톤이 증발하는 동안 물이 고분자의 상분리(phase separation)를 유도하여 제1 및 제2 고분자층의 다공성 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020130050116A KR101382361B1 (ko) | 2013-05-03 | 2013-05-03 | 복합 분리막을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130050116A KR101382361B1 (ko) | 2013-05-03 | 2013-05-03 | 복합 분리막을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR20070048257A (ko) * | 2004-09-29 | 2007-05-08 | 니폰 킨-에키 컴패니 리미티드 | 은 페이스트 조성물 |
| KR20080067586A (ko) * | 2007-01-16 | 2008-07-21 | 에스케이에너지 주식회사 | 분리막을 구비하고 있는 염료감응태양전지 및 그 제조방법 |
| KR20090066548A (ko) * | 2007-12-20 | 2009-06-24 | 한국에너지기술연구원 | 광커패시터용 내부전극 구조 및 그 내부전극을 포함하는광커패시터 |
| KR20110139432A (ko) * | 2010-06-23 | 2011-12-29 | 주식회사 아모그린텍 | 나노볼이 코팅된 와이어 메쉬 광전극 및 그 제조방법 그리고, 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 |
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2013
- 2013-05-03 KR KR1020130050116A patent/KR101382361B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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