KR101409405B1 - 광전극과 염료감응형 태양전지의 제조방법, 이에 따라 제조된 염료감응형 태양전지의 광전극 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법은, 티타늄 모재의 표면에 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 단계; 및 상기 이산화티타늄 나노튜브 표면에 산화아연을 부착하는 단계를 포함한다.
이때 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 단계는 양극산화법에 의해서 수행되고, 산화아연을 부착하는 단계는 전착법으로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명은, 에너지 레벨이 이산화티타늄보다 조금 높기 때문에 이산화티타늄과의 계면에서 밴드 벤딩을 일으킬 수 있는 산화아연을 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 부착하여 전자홀쌍의 분리를 용이하게 해줌으로써, 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율이 증가된 광전극을 제조할 수 있는 효과가 있다.
나아가, 본 발명의 제조방법은 종래의 진공방식 제조방법에 비하여, 제조 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 공정시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 염료감응형 태양전지 광전극은, 넓은 표면적으로 인해 흡착되는 염료의 양을 증가시킬 수 있다.
이때 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 단계는 양극산화법에 의해서 수행되고, 산화아연을 부착하는 단계는 전착법으로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명은, 에너지 레벨이 이산화티타늄보다 조금 높기 때문에 이산화티타늄과의 계면에서 밴드 벤딩을 일으킬 수 있는 산화아연을 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 부착하여 전자홀쌍의 분리를 용이하게 해줌으로써, 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율이 증가된 광전극을 제조할 수 있는 효과가 있다.
나아가, 본 발명의 제조방법은 종래의 진공방식 제조방법에 비하여, 제조 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 공정시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 염료감응형 태양전지 광전극은, 넓은 표면적으로 인해 흡착되는 염료의 양을 증가시킬 수 있다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지의 광전극을 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 광전극에 관한 것으로, 더 자세하게는 비진공방식의 전기화학적 방법을 통하여 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 광전극을 형성하는 방법 및 이에 따라 제조된 광전극에 관한 것이다.
염료감응형 태양전지는 태양광 흡수용 염료, n형 반도체 역할을 하는 광전극, p형 반도체 역할을 하는 전해질, 촉매역할의 상대전극, 그리고 투명전극으로 구성되어 있다. 기존의 박막형 태양전지는 태양광의 흡수 과정과 전자-정공쌍의 발생 및 이동되는 과정이 동시에 일어나는 반면에 염료감응형 태양전지는 태양광의 흡수는 광전극에 흡착된 염료가 담당하고, 생성된 전자-정공쌍의 전자 농도차에 의해 확산하는 방식이다. 보다 자세하게는, 염료는 태양광 흡수에 의해 여기 상태가 되어 전자를 생성하고, 이 전자는 광전극으로 이동하여 투명전극을 통해 외부회로로 흘러 전기에너지를 발생시킨다. 태양광 흡수에 의해 산화된 염료는 전해질로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 환원된다.
이러한 염료감응형 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 광전극에 흡착되는 염료의 양을 증가시키는 것이 중요하다. 현재, 이를 위해서 스크린 프린팅, 졸겔 그리고 CVD 등을 이용하여 투명전극 위에 나노의 이산화티타늄을 증착하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 이와 같은 방법들로 형성된 다공성 이산화티타늄 광전극은 불규칙한 망사 구조를 갖고 있어 전자가 투명전극까지 충분히 전달되지 못하는 문제점을 갖고 있다. 이를 극복하기 위하여 나노튜브, 나노로드, 나노와이어와 같이 1차원으로 이루어진 재료가 광전극으로 사용되고 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 표면적을 극대화 시킨 이산화티타늄 나노튜브에 산화아연을 부착시킨 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법 및 이에 따라 제조되어 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 광전극을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법은, 티타늄 모재의 표면에 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 단계; 및 상기 이산화티타늄 나노튜브 표면에 산화아연을 부착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 발명자들은 산화아연은 이산화티타늄과 밴드갭이 비슷하지만, 에너지 레벨이 이산화티타늄보다 약간 더 높기 때문에, 산화아연과 이산화티타늄의 계면에서 밴드 벤딩이 일어나서, 광전자와 홀이 각각 이산화티타늄의 전도대와 산화아연의 가전자로 용이하게 흐르거나 확산되는 점을 이용하기 위하여, 표면적을 극대화 시킨 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연을 부착시킨 염료감응형 태양전지의 광전극을 제조하는 방법을 개발하였다. 본 발명의 광전극은 산화아연이 표면의 일부에만 부착되고 나머지 표면에는 염료가 흡착되어 염료와 광전극 사이의 전자이동이 용이하며, 이산화티타늄과 산화아연 계면에서 발생한 밴드 벤딩에 의해 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이때 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 단계는 양극산화법에 의해서 수행되는 것이 좋으며, 양극산화 시에는 에틸렌글리콜 계열의 전해액을 사용하고 전해액에 불소이온이 포함된 것이 바람직하다. 또한, 티타늄 모재가 전해질로 손실되는 것과 양극산화과정에서 발생되는 산소의 양을 제어하기 위해 에틸렌글리콜에 첨가되는 물의 양을 1~3 질량% 범위로 제한하는 것이 좋으며, 10~50 V의 정 전압을 1~3 시간 동안 인가하여 양극산화를 수행할 수 있다.
특히, 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 단계는, 양극산화법으로 티타늄 모재의 표면에 나노튜브를 1차 형성하는 1차 양극산화 단계와 1차 형성된 나노튜브를 티타늄 모재로부터 제거하는 나노튜브 제거 단계; 및 나노튜브가 제거된 티타늄 모재 표면에 양극산화법으로 나노튜브를 2차 형성하는 2차 양극산화 단계를 포함하여 구성됨으로써, 양극산화 과정을 1회 이상 반복하는 것이 바람직하다. 2회 이상의 양극산화를 수행하는 경우에 티타늄 모재의 표면에서 이산화티타늄 나노튜브가 형성되는 부분이 증가하여, 전체적인 이산티타늄 나노튜브의 표면적이 넓어진다.
그리고 티타늄 모재의 표면에 이산화티타늄 나노튜브를 형성한 뒤에 수열처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 수열처리에 의해서 이산화티타늄 나노튜브의 표면적이 넓어진다. 이러한 수열처리는 0.01~0.1 M 범위의 (NH4)2TiF6 용액을 사용하여, 100~150 ℃에서 15-20 분 동안 수행되는 것이 좋다.
그리고 산화아연을 부착하는 단계는, 전착법으로 수행되는 것이 바람직하다. 전착법은 전기분해를 이용하여 전극의 표면에 물질을 부착하는 방법이다. 이러한 전착법은 0.01~0.1 M 범위의 Zn(NO3)2 6H2O이 포함된 전해액을 이용하여, 50~90 ℃에서 0.01~0.1 mA/cm2 범위의 전류를 10~300 초 동안 인가하여 수행되는 것이 좋다.
나아가 산화아연을 부착하는 단계 이후에, 열처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 열처리에 의해서 이산화티타늄 나노튜브와 산화아연의 결정성이 향상되어 구조가 안정해진다. 이러한 열처리는 300~500 ℃에서 2~4 시간 동안 수행되는 것이 좋다.
본 발명의 다른 형태에 의한, 염료감응형 태양전지의 제조방법은, 상기한 방법으로 광전극을 제조하는 단계; 상기 광전극에 염료를 흡착시키는 단계; 상대전극을 제조하는 단계; 및 상기 광전극과 상기 상대전극을 부착하고 전해질을 주입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법은 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연을 부착한 광전극을 제조하는 단계를 제외하면, 일반적인 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법과 차이가 없다. 따라서 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연을 부착한 광전극에 적용할 수 있는 기술이면 제한 없이 모두 적용할 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 다른 형태에 의한, 염료감응형 태양전지의 광전극은, 상기한 방법으로 제조되어, 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연이 부착된 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 또 다른 형태에 의한, 염료감응형 태양전지는 상기한 것과 같이 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연이 부착된 광전극; 상기 광전극의 표면에 흡착된 염료; 상기 광전극에 대응하는 상대전극; 및 상기 광전극과 상기 상대전극의 사이를 채우는 전해질을 포함한다.
본 발명의 염료감응형 태양전지는 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연을 부착한 광전극을 제외하면, 일반적인 염료감응형 태양전지의 구조와 차이가 없다. 따라서 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연을 부착한 광전극을 포함하는 태양전지에 적용할 수 있는 기술이면 제한 없이 모두 적용할 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 에너지 레벨이 이산화티타늄보다 조금 높기 때문에 이산화티타늄과의 계면에서 밴드 벤딩을 일으킬 수 있는 산화아연을 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 부착하여 전자홀쌍의 분리를 용이하게 해줌으로써, 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율이 증가된 광전극을 제조할 수 있는 효과가 있다.
나아가, 본 발명의 제조방법은 종래의 진공방식 제조방법에 비하여, 제조 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 공정시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 염료감응형 태양전지 광전극은, 넓은 표면적으로 인해 흡착되는 염료의 양을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 실시예에서 1차 양극산화를 수행한 경우에 티타늄 모재의 표면을 촬영한 주사전자현미경사진이다.
도 3과 도 4는 본 실시예에서 2차 양극산화를 수행한 경우에 티타늄 모재의 표면과 단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 5 내지 도 9는 본 실시예에서 산화아연 전착을 수행한 이후에 티타늄 모재의 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 10 내지 도 12는 본 실시예에서 산화아연 전착을 수행한 이후에 티타늄 모재의 단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 13은 본 실시예에 제조된 시편에 대하여 X-선 분광 분석을 수행한 결과를 나타낸다.
도 14는 본 실시예에 따라 제조된 염료감응형 태양전지의 전류밀도-전압 곡선을 나타낸다.
도 15는 본 실시예에 따라 제조된 염료감응형 태양전지의 위상 곡선을 나타낸다.
도 2는 본 실시예에서 1차 양극산화를 수행한 경우에 티타늄 모재의 표면을 촬영한 주사전자현미경사진이다.
도 3과 도 4는 본 실시예에서 2차 양극산화를 수행한 경우에 티타늄 모재의 표면과 단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 5 내지 도 9는 본 실시예에서 산화아연 전착을 수행한 이후에 티타늄 모재의 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 10 내지 도 12는 본 실시예에서 산화아연 전착을 수행한 이후에 티타늄 모재의 단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 13은 본 실시예에 제조된 시편에 대하여 X-선 분광 분석을 수행한 결과를 나타낸다.
도 14는 본 실시예에 따라 제조된 염료감응형 태양전지의 전류밀도-전압 곡선을 나타낸다.
도 15는 본 실시예에 따라 제조된 염료감응형 태양전지의 위상 곡선을 나타낸다.
먼저, 본 발명에 따라서 티타늄 모재에 이산화티타늄 나노튜브에 산화아연을 전착시켜 광전극을 제조하는 방법을 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명한다.
- 광전극의 제조-
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
본 실시예는, 먼저 티타늄계 모재의 표면에 이산화티타늄 나노튜브를 형성한다.(S01)
티타늄계 모재는 티타늄 또는 티타늄 합금으로 나노튜브를 형성할 수 있는 것이면 특별하게 제한되지 않으며, 특히 양극산화가 가능한 조성이면 제한되지 않는다. 본 실시예에서는 0.21 질량%의 Fe과 0.04 질량%의 C가 첨가된 등급 2의 순 티타늄 모재를 이용하였다.
이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 방법은 다양하지만, 본 실시예에서는 불소 이온과 증류수가 첨가된 에틸렌글리콜 용액 내에서 티타늄 모재를 양극으로 하여 정 전압을 가하는 양극산화방법으로 수행하였다.
양극산화를 위한 전해액의 조성은 특별히 제한되지 않으나, 에틸렌글리콜 용액에 0.1~0.3 질량%의 불소 이온과 1~3 부피%의 증류수를 각각 첨가하여 사용한다. 양극산화 시 전압을 인가하면 티타늄 모재는 산화되어 그 위에 티타늄 산화층이 형성되고, 전해액에 첨가된 불소 이온은 티타늄 산화층과 반응하여 플루오로티타늄 이온(TiF6 2-)을 생성하는 화학적 용해 반응을 일으켜 그 티타늄 산화층의 여러 부위에 나노크기의 미세구멍을 생성시킨다. 이후 전해질에 침지된 티타늄 모재 위 티타늄 산화층이 계속적으로 성장하면서, 이 미세구멍을 따라 불소 이온의 침투 및 이산화티타늄의 용해가 지속적으로 발생하여 수직방향으로 성장된 이산화티타늄 나노튜브가 티타늄 모재의 표면에 형성된다.
본 실시예에서는 에틸렌글리콜에 증류수 2 부피%와 불화암모늄 0.3 질량%를 첨가하여 전해액을 구성하였다.
티타늄 모재의 표면을 알코올과 아세톤으로 각각 세척 및 건조하여 전해액에 침지하고 양극산화를 수행한다. 이때, 음극으로는 스테인리스 강이나 백금을 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 백금을 이용하였다.
양극산화는 티타늄 모재를 양극으로 하여 10~50 V의 정 전압을 인가하며, 전해액의 온도는 0~20 ℃를 유지하는 것이 좋다. 본 실시예에서는 전해액의 온도를 10 ℃로 유지하면서, 직류전원을 이용하여 1초당 1V씩 증가시켜 50V의 정격전압을 1시간 동안 인가하여 티타늄 모재의 표면에 이산화티타늄 나노튜브를 형성하였고(1차 양극산화), 생성된 이산화티타늄 나노튜브를 초음파 세척기로 제거한 뒤에 동일한 조건에서 3시간 동안 양극산화를 수행하여 이산화티타늄 나노튜브를 형성하였다(2차 양극산화).
본 실시예와 같이, 1차 양극산화를 통하여 형성된 이산화티타늄 나노튜브를 초음파 진동이나 스카치 테이프를 이용하여 제거한 뒤에 2차 양극산화를 수행하여 이산화티타늄 나노튜브를 형성하면, 1차 양극산화 과정에서 이산화티타늄 나노튜브가 형성되지 않았던 부분에까지 이산화티타늄 나노튜브가 형성되어 전체적인 표면적이 넓어진다.
도 2는 본 실시예에서 1차 양극산화를 수행한 경우에 티타늄 모재의 표면을 촬영한 주사전자현미경사진이다.
표면에 검은색의 깊은 나노 홀이 형성되었으나, 모재의 표면 전체에 형성되지 못한 것을 확인할 수 있다.
도 3과 도 4는 본 실시예에서 2차 양극산화를 수행한 경우에 티타늄 모재의 표면과 단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
티타늄 모재의 표면에 거의 빈틈이 없이 나노튜브 구조가 형성되었으며, 이러한 나노튜브가 모재에 깊이 형성된 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 양극산화로 형성된 이산화티타늄 나노튜브를 수열처리하여 나노튜브의 표면적을 넓힌다.(S02)
수열처리는 0.01~0.1 M 범위의 (NH4)2TiF6 또는 NaOH 용액을 사용하여 100~150 ℃에서 15~20 분간 이산화티타늄이 형성된 티타늄 모재를 열처리하여 수행된다. 본 실시예에서는 0.01 M의 (NH4)2TiF6 용액을 사용하여 120 ℃에서 30 분간 열처리하였으며, 이후에 공기 중에서 냉각시켰다.
그리고, 수열처리하여 표면적이 넓어진 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연을 부착한다.(S03)
이산화티타늄 나노튜브의 표면에 산화아연을 부착하는 방법은 다양하지만, 본 실시예에서는 전착을 이용하였다.
산화아연의 전착은 0.01~0.1 M의 Zn(NO3)2·6H2O이 첨가된 증류수를 이용하여 실시하며, 전류밀도는 0.01~0.1 mA/cm2를 인가하고 전착 시간은 20~200 초를 실시하는 것이 좋다. 이때 전해질의 온도는 특별히 제한되지 않으나 80 ℃를 유지하는 것이 좋다.
본 실시예에서는 증류수에 0.01 M의 Zn(NO3)2·6H2O을 첨가한 pH 5.8의 전해액을 80 ℃로 유지하면서, 전류밀도 -0.05 mA/cm2를 인가하였다. 이때, 전류 인가 시간을 25, 50, 100, 200초로 달리하여 전착을 수행하였다.
도 5 내지 도 12는 본 실시예에서 산화아연 전착을 수행한 이후에 티타늄 모재의 표면과 단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 5와 도 9는 25초 동안 전류를 인가한 경우이고, 도 6과 도 10은 50초 동안 전류를 인가한 경우이고, 도 7과 도 11은 100초 동안 전류를 인가한 경우이며, 도 8과 도 12는 200초 동안 전류를 인가한 경우의 표면사진과 단면 사진이다.
도시된 것과 같이, 전류 인가 시간이 길어질수록 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 부착된 산화아연의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
마지막으로, 부착된 산화아연과 이산화티타늄 사이의 결정성을 높이기 위하여 열처리를 수행한다.(S04)
열처리는 300~500 ℃에서 1~5 시간 동안 어닐링하여 산화아연과 이산화티타늄 사이의 결정성을 높이며, 본 실시예에서는 450 ℃에서 3 시간 동안 어닐링하였다.
도 13은 본 실시예에 제조된 시편에 대하여 X-선 분광 분석을 수행한 결과를 나타낸다. 시편은 산화아연 전착을 200초 동안 수행한 시편을 이용하였다.
도시된 것과 같이, Zn와 O이온이 이산화티타늄 나노튜브에서 집중적으로 검출되는 것으로 보아, 전해 증착법과 수열처리 및 열처리를 통해 산화아연이 이산화티타늄 나노튜브에 성공적으로 부착된 것을 확인할 수 있다.
- 염료감응형 태양전지 제작 -
상기한 방법으로 제조된 광전극을 적용한 염료감응형 태양전지를 제조하고 특성을 평가하였다. 비교를 위하여 이산화티타늄 나노튜브를 형성한 뒤에 산화아연은 부착하지 않은 광전극을 이용하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
먼저, 이산화티타늄 나노튜브 광전극에 염료를 흡착시킨다.
아세토니트릴과 삼차 부틸 알코올이 1:1 부피%로 혼합된 용매에 0.1~0.5 mM N719 (Solaronix S.A.) 염료 나노입자를 첨가하여 제조된 용액에 침지하여 이산화티타늄 나노튜브에 염료를 흡착시킬 수 있으며, 본 실시예에서는 0.25 mM의 N719 염료 나노입자를 첨가한 용액에 24시간 동안 침지하여 염료가 흡착된 이산화티타늄 나노튜브 광전극을 얻었다.
상대전극은 일반적인 방법과 같이 FTO 유리를 사용하는데, FTO 유리에 전해질 주입을 위한 핀-홀을 형성하고, RF 스퍼터 장비를 이용하여 1~3×10-3 Torr의 압력과 100~150 ℃의 온도 조건에서 100~200W 를 인가하여 수십 나노미터 두께의 Pt를 증착한다. 본 실시예에서는 FTO 유리(7Ω/□) 표면에 2.2×10-3 Torr 조건에서 150 W를 인가하여 20 nm두께의 Pt를 증착하여 사용하였다.
염료가 부착된 광전극과 상대전극을 설린(Surlyn, Solaronix S.A.)소재를 사용하여 100~150 ℃에서 가열하여 부착시킨 후, 상대전극에 형성된 핀-홀을 통해 산화환원용 전해질(Iodolyte AN-50, Solaronix S.A.)을 주입하고, 핀-홀을 커버글라스나 투명 테이프로 실링함으로써 염료감응형 태양전지를 제조할 수 있다. 본 실시예에서는 오븐에서 120 ℃의 온도로 가열하여 광전극과 상대전극을 60μm 두께의 설린 소재로 부착하였으며, 핀-홀을 투명 테이프로 실링하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
도 14는 본 실시예에 따라 제조된 염료감응형 태양전지의 전류밀도-전압 곡선을 나타낸다. 일반적으로 전류밀도-전압 곡선에서 x축과 y축과의 교점을 각각 염료감응형 태양전지에 전류가 흐르고 있지 않을 때의 개방전압(Voc, open-circuit voltage)과 전압이 0 일 때의 단락 전류밀도(Jsc, short-circuit current density)라 한다. 또한 염료감응형 태양전지에서 나오는 전력은 최대전류와 최대전압이 만나는 최적의 지점에서 발생한 전력(Pmax)을 의미한다.
한편 FF(fill factor)는 염료감응형 태양전지 품질에 있어서 중요한 척도이며, 이는 수학식 1과 같이 최대 전력을 개방 전압과 단락 회로 전류에서 출력하는 이론상 전력과 비교하여 계산한다.
염료감응형 태양전지의 효율(η)은 수학식 2와 같이 FF가 결정되는 지점에서의 전압과 전류의 곱(Pmax)에 비례한다.
이와 같이 측정된 Voc와 Jsc, 상기 식에 의해 계산된 염료감응형 태양전지 효율(η)과 FF를 표 1에 나타내었다.
측정된 Voc는 산화아연의 부착여부 및 부착량과 무관하게 큰 차이를 보이지 않고 0.70 V로 비슷하였으나, Jsc와 효율은 산화아연의 전착 시간이 35 초일 때까지 증가하다가 이후로는 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 FF값도 산화아연의 전착시간이 35초일 때 가장 높았다. 이는 전착 시간이 길어짐에 따라 이산화티타늄 나노튜브의 표면에 부착된 산화아연의 양이 많아지면서, 이산화티타늄에 흡착된 염료의 양이 적어졌기 때문인 것으로 판단된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 산화아연을 35초 동안 전착하여 제조된 광전극을 사용하는 경우에 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율이 가장 뛰어났지만, 이는 본 실시예의 전착조건에 따라 전착된 산화아연의 전착량에 의한 결과이며, 전착조건에 따라서 최적의 전착시간은 변경될 것이다.
본 실시예에서 제조된 염료감응형 태양전지의 전기화학적 특성을 분석하기 위해 임피던스를 측정하였다.
도 15는 본 실시예에 따라 제조된 염료감응형 태양전지의 위상 곡선을 나타낸다.
측정된 주파수 영역에서의 위상 변화는 염료감응형 태양전지를 구성하는 각각의 성분에서 어떠한 반응이 지배적인지 알 수 있는 하나의 척도이다. 낮은 주파수 영역에서는 전해질 내에서의 네른스트(Nernst) 확산을 나타내고, 중간 주파수 영역에서는 이산화티타늄/염료/전해질 계면에서 전자의 이동을 나타내며, 높은 주파수 영역에서는 상대 전극에서의 산화환원 반응을 나타낸다.
측정된 위상의 값이 가장 작은 주파수 값(fpeak)의 역수를 광전자의 수명(τc)이라 정의하고, 이를 토대로 수학식 3과 같이 확산 계수(D)를 구할 수 있다.
L은 상기 이산화티타늄 나노튜브의 길이이다.
상기 식 (3)에 따라 계산된 변수들을 표 2에 나타내었다.
앞서 확인한, 염료감응형 태양전지의 효율에서와 마찬가지로 산화아연의 전착시간이 35 초일 때 광전자의 수명이 90.9 ms로 제조된 염료감응형 태양전지들 중에서 수명이 가장 긴 것으로 나타났다. 상대적으로 긴 광전자의 수명은 많은 광전자들이 이산화티타늄/염료/전해질 계면에서 정공과의 재결합율이 낮은 것을 의미한다. 따라서 산화아연을 35초 동안 전착한 이산화티타늄 나노튜브를 염료감응형 태양전지의 광전극으로 사용할 때에 광전변환 효율이 가장 뛰어난 것을 임피던스 분석법을 통해 알 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (16)
- 티타늄 모재의 표면에 이산화티타늄 나노튜브를 형성하는 단계;
상기 이산화티타늄 나노튜브를 열처리하여, 상기 이산화티타늄 나노튜브의 표면적을 넓히는 수열처리 단계; 및
상기 이산화티타늄 나노튜브 표면에 산화아연을 부착하는 단계를 포함하고,
상기 수열처리가, 0.01~0.1M 범위의 (NH4)2TiF6 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
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- 청구항 1에 있어서,
상기 수열처리가, 100~150℃에서 15-20분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 산화아연을 부착하는 단계는, 전착법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 전착법은 0.01~0.1M 범위의 Zn(NO3)2 6H2O이 포함된 전해액으로 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 전착법은 50~90℃에서 0.01~0.1mA/cm2 범위의 전류밀도를 10~300초 동안 인가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 산화아연을 부착하는 단계 이후에, 상기 이산화티타늄 나노튜브와 상기 산화아연을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
- 청구항 13에 있어서,
상기 열처리가 300~500 ℃에서 2~4시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법.
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