KR101382532B1 - 이산화티타늄 나노입자와 그래프트 공중합체를 이용한 메조기공 이산화티타늄 박막의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 - Google Patents
이산화티타늄 나노입자와 그래프트 공중합체를 이용한 메조기공 이산화티타늄 박막의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 염료감응 태양전지 광전극으로 활용할 수 있는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 표면 개질된 이산화티타늄 나노입자를 수득하는 단계; 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자를 용매에 분산시킨 고분자 템플레이트 용액에 상기 이산화티타늄 나노입자를 첨가하고 교반시켜서 솔 용액을 수득하는 단계; 및 상기 솔 용액을 드랍 캐스팅한 후, 고온에서 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따르면 보다 효율적인 염료감응 태양전지에 적합한 두께를 가지고, 보다 향상된 구조의 안정성 및 기공 구조의 규칙성을 가지는 염료감응 태양전지 광전극의 제조가 가능하고, 이를 채용한 염료감응형 태양전지는 염료의 흡착률이 우수하고, 높은 에너지 변환 효율을 가질 수 있다. 또한, 액체 전해질뿐만 아니라 점성이 높은 고분자 및 고체 전해질의 효율적 침투를 이용하여 염료감응 태양전지의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 광전극으로 활용할 수 있는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화티타늄 나노입자와 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자의 조합으로부터 직접 이산화티타늄 박막을 제조하는 방법과 이를 포함하는 광전극 및 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
염료 감응형 태양 전지의 개발에 있어서, 전극 소재로 적용되는 이산화티타늄 층의 구조는 전지의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 염료 감응형 태양전지에서 염료를 흡착할 수 있는 전극 소재는 띠 간격 에너지가 큰 반도체 나노결정(직경 약 20 ㎚) 산화물을 주로 사용한다. 나노 크기의 물질을 사용하는 이유는 입자 크기 감소에 의한 비표면적 증가로 보다 많은 양의 광감응 염료분자를 흡착시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 입자의 크기가 수 나노미터 이하로 지나치게 작게 되면 염료 흡착량은 증가하지만, 반면 표면상태 수가 증가하여 재결합 자리를 제공하게 되는 단점도 가지고 있다. 따라서 산화물의 입자크기, 형상, 결정도, 미세구조 및 표면특성을 조절하는 기술은 염료 감응형 태양전지에서 핵심 기술이라 할 것이다.
기존에 연구되었던 양쪽 친화성 공중합체를 템플레이트로 이용한 메조기공 이산화티타늄 박막 구조는 염료가 흡착할 수 있는 높은 표면적과 효과적인 전자 이동이 가능한 서로 연결되어 있는 구조, 그리고 비교적 큰 분자량을 가지는 고체 상태의 전해질의 침투를 돕는 메조기공 구조 등의 장점을 가지고 있지만, 효과적인 염료감응형 태양전지에 적합한 수 마이크로미터의 두께에 크게 못 미치는 마이크로미터 미만의 두께를 가지는 것이 단점이다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 1 ㎛ 미만의 메조기공 이산화티타늄 박막을 코팅하고 소결하는 과정을 반복하여 겹겹이 쌓는 방법이 연구되어 수 마이크로미터의 두께를 가지는 높은 성능의 염료감응 태양전지가 연구되었으나, 이러한 레이어바이레이어(layer-by-layer) 접근법은 많은 시간과 노력이 요구되며 반복되는 소결과정에서의 수축을 동반하는 문제점이 있다.(Zukalova, Zukal et al. Nano Lett., Vol.5, 1789, 2005), (Docampo et al. Adv.Func.Mat., vol. 20, 1787, 2010) 그리고, 최근에는 스네이스 그룹이 메조기공 구조의 이산화티타늄 덩어리(monolith)를 제조하고 그것을 분말 상태로 간 후에 페이스트 상태로 제조하여 메조 기공 구조를 일부분 유지하는 두꺼운 이산화티타늄을 제조하는 것에 성공하였으나, 메조기공 구조가 그라인딩 과정에서 붕괴되었고 불균일한 구조로 인해 기준 전극보다 낮은 효율을 보였다(Docampo et al. Adv.Func.Mat., vol. 20, 1787, 2010).
또한, 기존에 연구되었던 양쪽 친화성 공중합체를 템플레이트로 이용한 메조기공 이산화티타늄 박막 제조에서는 이후 공중합체 템플레이트 및 잔존물을 제거하기 위한 높은 온도의 소결 과정에서 수축에 의한 다공성 구조의 불안정이 필연적으로 초래되는 문제점이 있고, 이를 보완하기 위하여 솔-겔 공정 반응에 나노크리스탈린 이산화티타늄 분말을 지지체로써 첨가하는 방법으로 제조하였으나, 이 경우에도 상용화된 나노크리스탈린 이산화티타늄 분말은 표면의 하이드록실기로 인하여 양쪽 친화성 공중합체의 친수성 부분과 상호작용이 비교적 작기 때문에 템플레이트로 쓰인 공중합체의 구조를 복제하기 위해서는 추가적으로 티타니아 전구체를 필요로 하게 된다. 이렇다 보니 티타니아 전구체로 인하여 생기는 팽창과 소결 과정에서의 수축으로 인하여 생기는 전체 막의 불안정성과, 나노크리스탈린 이산화티타늄 입자로 인하여 생기는 친수성-친수성 상호작용의 약화 문제가 여전히 남아 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 구조의 규칙성과 크기를 제어할 수 있는 양쪽 친화성 공중합체를 템플레이트로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법으로서, 표면이 개질된 이산화티타늄 나노입자로부터 직접 제조하여 상술한 바와 같이 필연적으로 발생하는 균열과 결함을 막으면서도 규칙적인 메조 기공 구조를 유지하는 이산화티타늄 박막의 제조방법방법을 제공하는 것이다.
또한, 템플레이트 자체의 구조뿐만이 아니라 이산화티타늄 나노입자의 분산을 돕기 위하여 첨가되는 염산과 물의 양에 따라 이산화티타늄 박막의 특성과 기공의 특성을 제어할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
그리고, 상기와 같은 제조방법에 따라 제조된 메조 기공 이산화티타늄 박막을 포함하는 광전극 및 이를 채용한 염료감응 태양전지로서, 높은 에너지 변환 효율을 갖는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,
(a) 표면 개질된 이산화티타늄 나노입자를 수득하는 단계;
(b) 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자를 용매에 분산시킨 고분자 템플레이트 용액에 상기 이산화티타늄 나노입자를 첨가하고 교반시켜서 솔 용액을 수득하는 단계; 및
(c) 상기 솔 용액을 드랍 캐스팅한 후, 고온에서 소결하는 단계;를 포함하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계는 티타니아 전구체, 톨루엔 및 벤질 알콜을 혼합한 후, 50-100 ℃에서 8-24 시간 동안 수열 반응시켜서 벤질 알콜로 표면 개질된 이산화티타늄 나노입자를 수득할 수 있으며, 상기 이산화티타늄 나노입자의 크기는 10-15 ㎚일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 티타니아 전구체 대 벤질 알콜의 부피는 1 : 50-100일 수 있으며, 상기 티타니아 전구체는 티타늄-(n)부톡시드, 티타늄-(n)에톡시드, 티타늄-(n)이소프로폭시드, 티타늄-(n)프로폭시드 및 TiCl4 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계는 상기 솔 용액에서 이산화티타늄 나노입자의 분산을 위하여 염산과 물을 첨가하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 첨가되는 염산과 물의 양을 조절하여 이산화티타늄 나노입자의 응집을 조절하고, 이산화티타늄의 메조 기공 구조를 트랜스 구조, 허니컴 구조 등 다양한 구조로 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 첨가되는 염산과 물의 전체 양은 상기 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자 100 중량부 대비 100-500 중량부일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 상기 고분자 템플레이트 용액은 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자를 용액 전체 중량 대비 5-15 중량%로 하여 용매에 분산시켜 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자는 할로겐화 고분자 주쇄에 친수성 단량체가 그래프팅된 고분자이고,
상기 할로겐화 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴디클로라이드 및 이들의 공중합체 중에서 선택될 수 있으며, 상기 친수성 단량체는 폴리옥시에틸렌 (메타)아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 (메타)아크릴레이트, 히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 가수분해된 t-부틸 (메타)아크릴레이트, 아크릴아미드, N-비닐피롤리돈, 아미노스티렌, 스티렌 술폰산, 메틸프로펜 술폰산, 술포프로필 (메타)아크릴레이트, 술포에틸 (메타)아크릴레이트 및 술포부틸 (메타)아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 용매는 테트라하이드로퓨란, 노말메틸피롤리돈, 디메틸포름알데히드, 디메틸설포사이드, 알콜류 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 상기 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자 대 이산화티타늄 나노입자의 중량비가 1 : 1-5가 되도록 이산화티타늄 나노입자를 첨가할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계는 400-500 ℃에서 0.5-1 시간 동안 소결할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,
상기 제조방법에 따라 제조된 메조 기공 이산화티타늄 박막으로서, 1-2 ㎚의 마이크로 포어와 2-50 ㎚의 메조 포어가 계층형으로 형성되어 있고, BET 표면적은 150-200 ㎡/g이며, 박막의 두께는 6-7 ㎛인 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막, 이를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극 및 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 메조 기공 이산화티타늄 박막은 구조의 규칙성과 크기를 제어할 수 있는 양쪽 친화성 공중합체를 템플레이트로 하고, 티타니아 전구체를 사용하지 않고 표면이 개질된 이산화티타늄 나노입자를 지지체로 첨가하여 제조하므로 보다 효율적인 염료감응 태양전지에 적합한 두께를 가지고, 보다 향상된 구조의 안정성 및 기공 구조의 규칙성을 가져서 염료의 흡착률이 우수하고, 이를 광전극의 소재로 채용한 염료감응 태양전지는 높은 에너지 변환 효율을 가질 수 있다. 또한, 액체 전해질뿐만 아니라 점성이 높은 고분자 및 고체 전해질의 효율적 침투를 이용하여 염료감응 태양전지의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 수열 반응을 통해 제조되고, 벤질 알코올로 표면 개질하여 합성된 이산화티타늄 나노입자의 TEM 사진이고,
도 1b는 템플레이트로 사용된 양쪽 친화성 가지형 공중합체의 미세상분리 TEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 투명한 이산화티타늄 박막의 사진(도 2a), 균열 없으며 균일한 메조기공 이산화티타늄 막의 FE-SEM 사진 및 단면 사진(도 2b, 도2 c), 지지체 없이 유지되는 투명한 이산화티타늄 막의 사진이다(도 2d).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 투명한 이산화티타늄 박막에 대한 두께를 확인하기 위한 FE-SEM 사진이다.(도 3a 및 3b는 표면 사진, 도 3c 및 3d는 단면 사진)
도 4는 본 발명에 일 실시예에 따라 벌집 모양의 구조를 형성한 이산화티타늄 박막의 FE-SEM 사진이다.
도 5는 종래 상용화된 불규칙적인 메조기공 이산화티타늄 막과 본 발명에 따라 제조된 메조기공 이산화티타늄 막을 각각 광전극으로 채용한 태양전지에 대한 성능 테스트 결과이다.
도 6 내지 도 7은 각각 다크 상태에서의 EIS 실험 결과이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1 및 2에 따라 각각 제조된 메조기공 이산화티타늄 투명 전극과 불투명한 벌집 구조 전극의 반사 실험 결과이다.
도 9는 본 발명의 제조예 1 및 2에 따라 각각 제조된 메조기공 이산화티타늄 투명 전극과 불투명한 벌집 구조 전극을 채용한 태양전지 성능 결과이다.
도 1b는 템플레이트로 사용된 양쪽 친화성 가지형 공중합체의 미세상분리 TEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 투명한 이산화티타늄 박막의 사진(도 2a), 균열 없으며 균일한 메조기공 이산화티타늄 막의 FE-SEM 사진 및 단면 사진(도 2b, 도2 c), 지지체 없이 유지되는 투명한 이산화티타늄 막의 사진이다(도 2d).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 투명한 이산화티타늄 박막에 대한 두께를 확인하기 위한 FE-SEM 사진이다.(도 3a 및 3b는 표면 사진, 도 3c 및 3d는 단면 사진)
도 4는 본 발명에 일 실시예에 따라 벌집 모양의 구조를 형성한 이산화티타늄 박막의 FE-SEM 사진이다.
도 5는 종래 상용화된 불규칙적인 메조기공 이산화티타늄 막과 본 발명에 따라 제조된 메조기공 이산화티타늄 막을 각각 광전극으로 채용한 태양전지에 대한 성능 테스트 결과이다.
도 6 내지 도 7은 각각 다크 상태에서의 EIS 실험 결과이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1 및 2에 따라 각각 제조된 메조기공 이산화티타늄 투명 전극과 불투명한 벌집 구조 전극의 반사 실험 결과이다.
도 9는 본 발명의 제조예 1 및 2에 따라 각각 제조된 메조기공 이산화티타늄 투명 전극과 불투명한 벌집 구조 전극을 채용한 태양전지 성능 결과이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 염료감응 태양전지의 광전극에 적용할 수 있는 이산화티타늄 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 표면 개질된 이산화티타늄 나노입자와 가지형 공중합체 템플레이트를 이용하여 메조 기공 구조의 이산화티타늄 박막을 제조하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 표면 개질된 이산화티타늄 나노입자와, 양쪽 친화성 가지형 공중합체 고분자를 용매에 분산시킨 고분자 템플레이트 용액을 제조한다. 이후, 상기 이산화티타늄 나노입자를 고분자 템플레이트 용액에 첨가하고 교반시켜서 솔 용액을 수득한다. 다음으로 상기 솔 용액을 드랍 캐스팅한 후, 고온에서 소결하여 메조 기공 이산화티타늄 박막을 제조한다.
그리고, 본 발명은 상기 솔 용액의 수득 단계에서 이산화티타늄 나노입자의 분산을 돕기 위하여 염산과 물을 첨가하고, 상기 첨가되는 염산과 물의 양을 조절하여 이산화티타늄 나노입자의 응집으로 인한 광산란 효과와 이산화티타늄의 메조 기공 구조를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명은 티타니아 전구체 없이 오직 이산화티타늄 나노입자만을 사용하여 템플레이트의 미세상 분리 구조를 유지하고, 6-7 ㎛의 두꺼운 두께를 가지는 메조 기공 이산화티타늄 막을 제조할 수 있는 것을 특징으로 한다. 특히, 솔 용액의 제조 단계에서 이산화티타늄 나노입자의 분산을 돕기 위하여 추가적으로 첨가되는 염산과 물을 양을 조절함으로써, 광특성에 매우 중요한 영향을 미치는 이산화티타늄 나노입자의 구조를 제어할 수 있다.
본 발명은 기존에 양쪽 친화성 공중합체를 템플레이트로 하는 솔-젤 공정의 약점이었던, 공중합체와 잔존물의 제거를 위한 높은 온도의 소결 과정에서 발생하는 구조 수축 및 구조적 불안정성을 해소하기 위하여, 그리고 양쪽 친화성 공중합체와 향상된 상호작용을 하여 메조 기공 구조를 유지하기 위하여, 그리고 메조 기공 구조의 지지를 가능하게 할 수 있도록 하기 위하여 표면이 개질된 이산화티타늄 나노입자를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
특히, 10-15 ㎚ 크기의 나노입자는 표면이 벤질 알코올로 개질되어 있어서 템플레이트로 사용되는 양쪽 친화성 공중합체의 친수성 부분과의 상호작용이 표면을 개질하지 않은 나노입자에 비하여 강하기 때문에 템플레이트의 미세상 분리 구조와 동일한 메조 기공 구조의 규칙적 구조 형성이 추가적인 티타니아 전구체의 첨가 없이도 가능하다.
본 발명에 따른 벤질 알콜로 표면이 개질된 이산화티타늄 나노입자는 티타니아 전구체, 톨루엔 및 벤질 알콜을 혼합한 후, 50-100 ℃에서 8-24 시간 동안 수열 반응시켜서 제조할 수 있고, 상기 티타니아 전구체는 티타늄-(n)부톡시드, 티타늄-(n)에톡시드, 티타늄-(n)이소프로폭시드, 티타늄-(n)프로폭시드, TiCl4 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 양쪽 친화성 가지형 공중합체 고분자는 친수성 영역 및 소수성 영역으로 미세 상분리(microphase separated)되어 있는 자기 조립형(self-organized type)인 것을 특징으로 한다. 자기조립형 고분자란 고분자 내의 구조 단위(building block)간의 인력(attraction) 및 척력(repulsion)의 균형에 의하여, 스스로 기능성 분자 구조를 형성할 수 있는 고분자를 의미한다.
본 발명에서는 이와 같이 상분리된 친수성 및 소수성 영역을 동시에 포함하고 있는 고분자라면, 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 소수성 영역으로서 할로겐화 고분자 주쇄에 친수성 단량체가 그래프팅되어 있는 가지형 고분자를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용할 수 있는 할로겐화 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴디클로라이드 또는 이들의 공중합체를 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 양쪽 친화성 가지형 공중합체 고분자에 포함되어 친수성 영역을 구성하는 친수성 단량체의 종류 역시 특별히 한정되지 않는다. 이러한 친수성 단량체의 예로는 폴리옥시에틸렌 (메타)아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 (메타)아크릴레이트, 히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 가수분해된 t-부틸 (메타)아크릴레이트, 아크릴아미드, N-비닐피롤리돈, 아미노스티렌, 스티렌 술폰산(styrene sulfonic acid), 메틸프로펜 술폰산, 술포프로필 (메타)아크릴레이트, 술포에틸 (메타)아크릴레이트, 술포부틸 (메타)아크릴레이트 또는 이들의 합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 구체적인 구현예에 의하면, 티타늄테트라클로라이드와 벤질 알코올을 1 : 50-100의 부피비로 혼합한 후 50-100 ℃에서 8-24 시간 동안 수열 반응하고 원심분리하여 이산화티타늄 나노입자를 수득하고, PVC-g-POEM(poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethylenemethacrylate)를 5-15 중량%로 하여 테트라하이드로퓨란에 용해시켜 고분자 템플레이트 용액을 수득한 후, 상기 고분자 템플레이트 용액과 상기 이산화티타늄 나노입자를 1 : 1-5의 중량비로 혼합하고 빠른 속도로 교반시켜 솔 용액을 수득한 후 이를 기판에 닥터-블레이드 방법으로 두껍게 캐스팅한다. 상기 코팅된 박막은 숙성 과정을 거친 후 450 ℃에서 30 분 동안 고온 열처리를 통하여 공중합체 및 잔존물들을 제거하고 결정도를 향상시킨다.
그리고, 상기 솔 용액을 제조함에 있어서, PVC-g-POEM 100 중량부 기준으로 100-500 중량부의 염산과 물의 혼합(염산 : 물 = 37 : 63 중량비) 용액을 첨가하는 단계를 더 포함하고, 템플레이트로 쓰이는 PVC-g-POEM 가지형 공중합체 용액과 제조된 나노입자 혼합 용액에 첨가되는 염산과 물을 양을 상기 범위에서 달리하여 최종 제조되는 이산화티타늄 막의 구조와 광, 전기적 특성을 제어한다.
또한, 본 발명은 상기의 제조방법에 따라 제조된 메조기공 이산화티타늄 박막으로서, 상기 이산화티타늄 박막은 1-2 ㎚의 마이크로 포어와 2-50 ㎚의 메조 포어가 계층형으로 형성되어 있고, BET 표면적은 150-200 ㎡/g이며, 박막의 두께는 6-7 ㎛인 메조기공 이산화티타늄 박막을 제공한다.
상기 표면적, 기공 구조 및 두께 등의 물성은 구성물질의 차이, 제조하는 반응조건과 공정순서 등의 차이에 기인하는데, 특히 이하 실시예에서 예시적으로 제시된 제조방법에 의해 제조된 다공성 이산화티타늄 박막은 그 미세 구조나 물성이 매우 우수함을 확인할 수 있다.
다만, 본 발명은 이러한 제법에 한정되지 않고 본 발명에서 특정하고 있는 물성 조건의 메조 기공 이산화티타늄 박막이면 이를 권리범위에 포함하는 것으로 해석되어야 하며, 특정한 물성조건, 반응조건, 공정조건, 용매조건 등에 한정되어 해석될 수 없음은 명백할 것이다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
제조예 1. 본 발명에 따른 다공성 이산화티타늄 박막의 제조
(1) 이산화티타늄 나노입자의 형성 단계
뚜껑이 있는 30 ㎖ 바이알에 10 ㎖의 톨루엔을 넣고 교반시키면서 상온에서 1.5 ㎖의 티타니아테트라클로라이드를 천천히 넣었다. 또 다른 뚜껑이 있는 100 ㎖ 바이알에 50 ㎖의 벤질 알코올을 넣고 격렬히 교반되고 있는 상태에서 티타늄테트라클로라이드-톨루엔 용액을 천천히 첨가시킨 후 30 분 동안 교반시켰다. 이 용액을 70 ℃로 유지되는 오븐에서 12 시간 동안 고요하게 유지하여 핵형성과 성장 단계를 거치게 하였다. 반응이 끝난 후 하얀색 침전물을 10000 rpm에서 30 분 동안 원심분리시켜 수득하였으며, 상온에서 30 분 동안 건조시켰다.
(2) 이산화티타늄 용액 형성 단계
뚜껑이 있는 10 ㎖ 바이알에 0.2 g의 가지형 공중합체 템플레이트 고분자와 2 ㎖의 테트라하이드로퓨란 용액을 혼합하여 하룻밤 동안 교반하여 고분자 템플레이트 용액을 얻었다. 이 용액에 상기 실시예 1-(1)에서 얻어진 나노입자를 0.4 g 첨가하여 격렬히 교반시켰다. 나노입자의 분산을 돕기 위해 0.1 ㎖의 염산과 물을 첨가하여 하룻밤 동안 격렬히 교반하여 반투명한 용액을 얻었다.
하기 도 1은 상기 제조예 1-(1) 및 (2)과정에서 얻어진 나노입자와 템플레이트로 사용된 가지형 공중합체의 미세 상분리 구조를 관찰한 TEM 사진이며, 하기 도 1a의 삽입 도면은 이산화티타늄 나노입자를 에탄올과 물에 분산시킨 분산용액을 보여주는 사진이다.
(3) 이산화티타늄 박막층 형성 단계
FTO 유리 기판에 상기의 솔 용액을 닥터 블레이드 방법을 이용해, 매직 테이프 4겹의 두께로 캐스팅하였다. 1-2 시간의 숙성 단계를 거친 후 450 ℃에서 소성시켜 공중합체 템플레이트와 잔존물을 제거하며 결정성을 향상시켰다.
하기 도 2는 형성된 이산화티타늄 박막의 투명함을 관찰한 사진과 지지체 없이 지탱하는 사진이며, 하기 도 3은 이산화티타늄 구조 표면과 두께를 확인할 수 있는 단면을 관찰한 FE-SEM사진이다.
상기의 가지형 공중합체를 템플레이트로 사용한 다공성 이산화티타늄 박막은 템플레이트의 미세상 분리 구조와 흡사한 잘 정렬된 메조기공 구조를 보이며 표면 개질된 나노입자와 양쪽친화성 고분자 템플레이트와의 강한 상호 작용을 뒷받침한다. 상기와 같이 가지형 공중합체를 템플레이트로 이용하면 균일한 기공과 넓은 표면적의 표면특성, 염료 감응태양전지에 적합한 두께을 가지는 다공성 이산화티타늄 박막을 제조할 수 있으며 전구체 없는 나노 입자의 도입으로 두꺼운 박막의 제조가 간단한 과정으로 제조할 수 있음을 확인하였다.
제조예 2. 본 발명에 따른 다공성 이산화티타늄 박막의 제조
상기 실시예 1-(2)에서 첨가되는 염산과 물의 양을 0.1 ㎖ 사용하는 대신 0.3 ㎖을 사용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
실시예 1. 본 발명에 따른 다공성 이산화티타늄 박막을 이용한 염료감응 태양전지의 제조
상기와 같이 제조된 다공성 이산화티타늄 박막층을 형성한 광전극에서 상부의 이산화티타늄 상에 루테늄계 염료를 흡착시켰으며, 염료를 함유하는 용액에 상온에서 24 시간 이상 혹은 50 ℃에서 2 시간 이상 함침하여 염료를 흡착시켰다.
이후, 염료가 흡착된 이산화티타늄 광전극을 알코올 용매로 세척하여 염료 잔류물을 제거하고 50 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다. 건조된 광전극층에 유사 고체상인 PEGDME, 양쪽 친화성 가지형 공중합체, 고체상인 아이오딘이 없는 고분자화된 아이오닉리퀴드를 고분자 전해질로 채용한 전해액을 캐스팅한 후 상대 전극과 조립시킨 후 압력에 의하여 상기 고분자층이 상기 두 전극의 표면에 강하게 부착되게 하였다.
실험예 1.
(1) 상기 제조예 1 내지 2에서 제조된 염료 감응형 태양전지에 대해서 Solar simulator를 통해 그 광특성을 분석하였다.
하기 도면과 [표 1]에서, ran-TiO2는 Dyesol사에서 상용으로 판매하는 Dyesol 18NR 페이스트를 같은 두께로 캐스팅한 광전극을 기반으로 한 염료감응 태양전지에 관한 것이고, org-TiO2는 본 발명에 따라 제조한 투명한 메조기공 이산화티타늄 광전극으로 만든 태양전지에 관한 것이다.
또한, [표 2]에서 TR 내지 TRANS는 상기 제조예 1에 따라 제조한 투명한 이산화티타늄 광전극으로 만든 태양전지에 관한 것이고, HC 내지 HONEYCOMB는 상기 제조예 2에 따라 더 많은 염산과 물의 첨가하여 제조한 벌집 구조 모양의 이산화티타늄 광전극으로 만든 태양전지에 관한 것이다.
| 광전극 | 전해질 | 염료 흡착량 (nmol/㎠) |
Voc (V) |
Jsc (mA/㎠) |
FF | 효율 (%) |
| org-TiO2 | PEBII | 84.6 | 0.84 | 13.8 | 0.61 | 7.1 |
| ran-TiO2 | PEBII | 70.4 | 0.84 | 10.0 | 0.54 | 4.6 |
| org-TiO2 | PVC-g-POEM/MPII/I2 | 84.6 | 0.78 | 13.7 | 0.57 | 6.1 |
| ran-TiO2 | PVC-g-POEM/MPII/I2 | 70.4 | 0.76 | 9.6 | 0.51 | 3.7 |
분석 결과 상기 [표 1]에서 알 수 있는 바와 같이, 양쪽 친화성 공중합체를 템플레이트로 사용하고, 이산화티타늄 나노 분말을 지지체로 첨가하여 제조한 본 발명의 두꺼운 두께를 갖는 메조기공 이산화티타늄 박막을 광전극으로 채용한 염료 감응 태양전지는 기준 전극으로 상용화된 Dyesol 18NR을 사용한 염료 감응 태양전지에 비해서 염료 흡착량, 광전변환 효율 등에서 월등히 높은 성능을 보였다.
상세하게는 작은 이산화티타늄 나노 입자의 크기와 정렬된 메조기공으로 인하여 보다 넓은 표면적을 갖게 되고, 이로 인하여 더 많은 염료를 흡착할 수 있게 하여 전류밀도를 향상시키는 효과를 보였으며, 또한 균일하게 연결된 구조는 전자의 이동에서 발생하는 손실을 줄여주었다.
(2) 전체 용액 대비 첨가되는 염산과 물의 양이 이산화티타늄의 구조에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 첨가되는 염산과 물의 양을 0.3 ㎖로 변화(상기 제조예 2)시키고, 이를 기판에 스핀 코팅함으로써 제조된 이산화티타늄 박막의 표면 구조와 기공의 크기를 FE-SEM으로 관찰하였다. 첨가되는 염산과 물의 양을 조절함으로써 염료 감응형 태양 전지의 성능에 중요한 영향을 미치는 광산란 특성을 메조기공 구조와 표면적을 유지하면서 보완할 수 있다.
하기 도 4는 더 많은 양의 염산과 물을 넣었을 경우 벌집 구조의 나노 입자의 집결을 보여주는 FE-SEM 사진이다. 그 결과, 첨가되는 염산과 물의 양이 높아질수록 나노입자들이 집결하여 벌집 모양(HONEYCOMB)의 구조를 형성하였으며 메조기공 구조가 서로 연결되어 결정성을 나타냄을 관찰하였다.
또한, 하기 [표 2]에 나타나 있는 바와 같이, 벌집 구조의 메조 기공 이산화티타늄 막박을 광전극으로 사용한 경우에 광전 특성이 보다 향상되었음을 알 수 있다.
| 구분 | Voc (V) | Jsc (mA/㎠) | FF | Efficiency (%) |
| 제조예1 (TRANS) | 0.88 | 13.6 | 0.59 | 7.05 |
| 제조예 2 (HONEYCOMB) | 0.86 | 16.19 | 0.60 | 8.35 |
(3) 또한, 제조된 이산화티타늄의 기공 크기 분포와 표면적을 BET에 의해 측정하였다. 상용화된 Dyesol 18NR에 비하여 본 발명에 따른 이산화티타늄 박막이 보다 작은 나노입자와 메조기공으로 인하여 넓은 표면적을 가짐을 확인하였으며, 비교적 큰 기공들의 평균 크기가 상기 FE-SEM의 결과와 일치하는 것을 관찰하였다.
(4) 이산화티타늄 나노분말의 도입으로 인한 광전극의 두께 향상에 대해서는 FE-SEM의 단면 사진으로 확인하였는데(하기 도 3c), 기판에 캐스팅하는 닥터 블레이드 방법에서 적용 되는 높이 조절을 통해서 7 ㎛ 이상의 비교적 두꺼운 이산화티타늄 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다.
(5) 하기 도 5에서 관찰되는 나노입자 기반의 정렬된 메조기공 구조의 태양 전지의 성능 향상은 고분자화된 아이오닉리퀴드 전해질과 양쪽친화성 가지형 공중합체 전해질의 경우에도 적용하였다. 분자량이 큰 고체 전해질의 적용에 있어, 완전한 고체 전해질인 PVC-g-POEM 전해질을 사용한 결과, 전해질의 침투가 비교적 큰 기공 크기로 수월하게 되어 기준 전극에 비해 성능이 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 각각의 태양전지 성능의 향상은 암실 상태에서의 EIS 실험을 통해 염료 감응형 태양전지의 전자 재결합 저항이 향상된 것을 통해 설명할 수 있다(하기 도 6). 또한, EIS 결과에서 염료 감응형 태양전지 내의 전자의 생존시간이 메조 기공 구조의 발달로 인해 크게 늘어나는 것을 볼 수 있다(도 7).
(6) 벌집 구조 이산화티타늄 막의 경우 투명한 이산화티타늄 막에 비하여 광산란 실험에서 향상된 결과를 보이는데, 이것은 태양 전지 성능의 전류 밀도의 향상을 설명해 준다(하기 도 8, 도 9).
Claims (13)
- (a) 표면 개질된 이산화티타늄 나노입자를 수득하는 단계;
(b) 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자를 용매에 분산시킨 고분자 템플레이트 용액에 상기 이산화티타늄 나노입자를 첨가하고 교반시켜서 솔 용액을 수득하는 단계; 및
(c) 상기 솔 용액을 드랍 캐스팅한 후, 고온에서 소결하는 단계;를 포함하고,
상기 (b) 단계에서 상기 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자 대 이산화티타늄 나노입자의 중량비가 1 : 1-5가 되도록 이산화티타늄 나노입자를 첨가하는 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계는 티타니아 전구체, 톨루엔 및 벤질 알콜을 혼합한 후, 50-100 ℃에서 8-24 시간 동안 수열 반응시켜서 벤질 알콜로 표면 개질된 이산화티타늄 나노입자를 수득하는 것을 특징으로 하고,
상기 이산화티타늄 나노입자의 크기는 10-15 ㎚인 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 티타니아 전구체 대 벤질 알콜의 부피는 1 : 50-100인 것을 특징으로 하고, 상기 티타니아 전구체는 티타늄-(n)부톡시드, 티타늄-(n)에톡시드, 티타늄-(n)이소프로폭시드, 티타늄-(n)프로폭시드 및 TiCl4 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 솔 용액에서 이산화티타늄 나노입자의 분산을 위하여 염산과 물을 첨가하는 단계;를 더 포함하고,
상기 첨가되는 염산과 물의 양을 조절하여 이산화티타늄 나노입자의 응집과 이산화티타늄의 메조 기공 구조를 조절하는 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 첨가되는 염산과 물의 전체 양은 상기 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자 100 중량부 대비 100-500 중량부인 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 상기 고분자 템플레이트 용액은 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자를 용액 전체 중량 대비 5-15 중량%로 하여 용매에 분산시켜 제조한 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 양쪽 친화성 가지형 공중합체 템플레이트 고분자는 할로겐화 고분자 주쇄에 친수성 단량체가 그래프팅된 고분자이고,
상기 할로겐화 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴디클로라이드 및 이들의 공중합체 중에서 선택되고,
상기 친수성 단량체는 폴리옥시에틸렌 (메타)아크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 (메타)아크릴레이트, 히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 가수분해된 t-부틸 (메타)아크릴레이트, 아크릴아미드, N-비닐피롤리돈, 아미노스티렌, 스티렌 술폰산, 메틸프로펜 술폰산, 술포프로필 (메타)아크릴레이트, 술포에틸 (메타)아크릴레이트 및 술포부틸 (메타)아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 용매는 테트라하이드로퓨란, 노말메틸피롤리돈, 디메틸포름알데히드, 디메틸설포사이드, 알콜류 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는 400-500 ℃에서 0.5-1 시간 동안 소결하는 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 메조 기공 이산화티타늄 박막으로서,
상기 이산화티타늄 박막은 1-2 ㎚의 마이크로 포어와 2-50 ㎚의 메조 포어가 계층형으로 형성되어 있고, BET 표면적은 150-200 ㎡/g이며, 박막의 두께는 6-7 ㎛인 것을 특징으로 하는 메조 기공 이산화티타늄 박막. - 제 11 항에 따른 메조 기공 이산화티타늄 박막을 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제 12 항에 따른 광전극 채용한 염료감응 태양전지.
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