KR101428450B1 - 다층 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 스프레이 방법으로 염료 흡착 공정이 단순화되고, 광범위한 파장의 빛을 흡수할 수 있는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 스프레이 방법으로 염료 흡착 공정이 단순화되고, 광범위한 파장의 빛을 흡수할 수 있는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지(Solar Cell)는 입사되는 빛에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 것으로, 이미 우리 생활에 널리 이용되고 있는 실리콘 태양전지가 대표적이며, 차세대 태양전지로 염료감응 태양전지가 연구되고 있다. 이러한 염료감응 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료 분자와 생성된 전자를 전달하는 반도체 산화물 전극으로 나누어진 구조를 가지고 있다. 현재까지 알려진 염료감응 태양전지의 대표적인 예로는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있으며, 이러한 염료감응 태양전지는 기존의 태양전지에 비해 전력당 제조 원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있다는 가능성을 가지고 있다는 점에서 많은 사람들의 관심을 끌고 있다.
한편, 일반적인 염료감응 태양전지는 양극부, 음극부 및 전해질을 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 양극부에 구비되는 광감응 염료가 흡착된 다공성 금속산화물을 포함하는 염료 활성층에서는 입사된 광에 의해 전자를 생성한다.
즉, 입사된 태양광에 의하여 광감응 염료가 여기되어 HOMO(High Occupied Molecular Orbital)의 전자가 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)로 들뜨게 된다. 이렇게 생성된 전자는 다공성 금속산화물의 전도대로 이동되고, 이를 통하여 양극부로 전자가 전달되며 외부 회로로 이동하여 전기 에너지를 생성한다. 또한, 전자를 송출한 광감응 염료는 음극부로부터 전해질의 산화-환원 반응에 의하여 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 된다.
이 때, 염료감응 태양전지와 같은 태양전지의 광전변환효율은 광흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하기 때문에, 많은 양의 전자를 생성하기 위해서는 흡수하는 빛의 파장을 증가시키고자 하는 연구가 수행되고 있다. 최근 몇몇 연구그룹에서 흡수되는 빛의 파장을 증가시키기 위해서 다양한 파장을 갖는 염료를 다층으로 증착한 결과를 보고한 바 있다(K. Lee et al, Nature Materials, 8, 665, 2009).
그러나, 다층의 금속산화물 입자층을 형성하게 되면 금속산화물 입자층 내에 존재하는 바인더 물질을 제거하기 위해서 반드시 후속 열처리가 필요하다. 이런 후속 열처리는 이미 증착된 염료에 손상을 주기 때문에 다층의 염료감응태양전지 제작을 불가능하게 하는 문제점이 되고 있다. 따라서 이전 연구는 단층의 금속산화물 입자층에 다른 흡수 파장을 갖는 염료를 여러 번 흡착하는 방법을 이용하여 다층 염료감응태양전지를 제작하였다. 이런 경우에는 다른 흡수 파장을 갖는 염료를 계속해서 흡착하기 위해서 이전에 흡착된 염료를 부분적으로 탈착해야 하는 문제가 있어서 제현성에 많은 문제를 가지고 있다. 염료감응 태양전지 제조시 이용하는 금속산화물 입자에 포함되어 있는 바인더를 제거하기 위해 반드시 후속 열처리가 필요하기 때문이다.
본 발명의 일 목적은 바인더를 제거하기 위한 후속 열처리가 불필요하여, 전체 공정이 단순화되는, 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 염료감응 태양전지의 제조방법에 의해 제조된 염료감응 태양전지로서, 광범위한 파장의 빛을 흡수하고 광흡수율 및 광전변환효율이 향상된 다층 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 제 1기판, 제 1투명전극(10), 염료 활성층(20)을 순차적으로 적층시켜 양극부를 제조하는 단계; 제 2기판, 제 2투명전극(50) 및 상대전극층(40)을 순차적으로 적층시켜 음극부를 제조하는 단계; 및 상기 양극부 및 음극부를 결합하고, 상기 양극부와 음극부 사이의 공간에 전해질(30)을 충진하는 단계를 포함하며, 상기 염료 활성층(20)은 제 1 투명전극(10) 상에 (a) 금속산화물을 함유하는 분산액을 전기 스프레이 방법으로 분사시켜 금속산화물 층을 형성하고, (b) 상기 금속산화물 층을 열압착시키고, (c) 상기 금속산화물 층 상에 염료를 흡착시켜 염료층을 형성하며, 상기 (a) 내지 (c) 단계를 2회 이상 반복함으로써 다층구조의 염료층을 포함하는, 염료감응 태양전지의 제조방법이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 제 1기판, 제 1투명전극(10), 염료 활성층(20)을 순차적으로 적층시켜 양극부를 제조하는 단계; 제 2기판, 제 2투명전극(50) 및 상대전극층(40)을 순차적으로 적층시켜 음극부를 제조하는 단계; 및 상기 양극부 및 음극부를 결합하고, 상기 양극부와 음극부 사이의 공간에 전해질(30)을 충진하는 단계를 포함하며, 상기 염료 활성층(20)은 제 1 투명 전극(10) 상에 (a) 금속산화물 및 염료를 함유하는 분산액을 전기 스프레이 방법으로 분사시켜서 염료층을 형성하고, (b) 상기 염료층을 열압착시키고, 상기 (a) 및 (b) 단계를 2회 이상 반복함으로써 다층구조의 염료층을 포함하는, 염료감응 태양전지의 제조방법이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지는 상기 제조방법으로 제조된 염료감응 태양전지이다.
본 발명의 제조방법에 따라 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, 바인더의 제거 공정이 불필요하기 때문에, 단순한 공정으로 보다 짧은 시간 내에 다층 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다층 염료감응 태양전지는 광범위한 파장의 빛을 흡수할 수 있는 다층의 염료 활성층을 포함하여, 태양전지 내로 조사된 빛의 광흡수율 및 광전변환효율이 향상되었다.
도 1은 본 발명의 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 다층의 염료감응 태양전지의 개방전압 대 단락전류의 상관 곡선이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 다층의 염료감응 태양전지의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 다층의 염료감응 태양전지의 활성층을 제조하는 공정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에서 사용되는 전기 스프레이 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 다층의 염료감응 태양전지의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 다층의 염료감응 태양전지의 활성층을 제조하는 공정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에서 사용되는 전기 스프레이 장치의 구성도이다.
이하, 본 발명의 구현예로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 구현예는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 기재 및 그로부터 해석되는 균등 범주 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능하다.
본 발명의 제 1 구현예는 제 1기판, 제 1투명전극(10), 염료 활성층(20)을 순차적으로 적층시켜 양극부를 제조하는 단계; 제 2기판, 제 2투명전극(50) 및 상대전극층(40)을 순차적으로 적층시켜 음극부를 제조하는 단계; 및 상기 양극부 및 음극부를 결합하고, 상기 양극부와 음극부 사이의 공간에 전해질(30)을 충진하는 단계를 포함하며, 상기 염료 활성층(20)은 제 1 투명전극(10) 상에, (a) 금속산화물을 함유하는 분산액을 전기 스프레이 방법으로 분사시키는 단계; (b) 상기 금속산화물 층을 열압착시키는 단계; 및 (c) 상기 금속산화물 층 상에 염료를 흡착시켜 염료층을 형성하는 단계를 2회 이상 반복하여 제조되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 (a) 내지 (c) 단계를 수행함으로써, 제 1 염료층이 형성된다. 그 후, 상기 (a) 내지 (c) 단계를 반복하는 경우, 상기 제 1 염료층 상에 하나 이상의 염료층이 추가적으로 형성되고, 궁극적으로 다층구조를 가지는 염료 활성층이 형성된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 양극부 쪽에 전기 스프레이 방법으로 금속산화물이 분산되어 있는 분산액을 이용하여 형성되며, 분산액 내에 존재하는 용매는 전기스프레이되는 동안 증발되어 기판에는 금속산화물 층만 남게 된다. 기판과 금속산화물 층과의 접착을 향상시키기 위해서 고압(1-10톤)에서 열 압착기(70-150℃) 공정을 수행한다. 본 발명에 따른 다층구조를 포함하는 염료감응 태양전지를 형성하기 위해서 금속산화물 층을 전기스프레이 방법으로 증착 후 염료를 흡착하고, 그 위에 다시 전기 스프레이 방법으로 금속산화물 층의 증착 후 염료를 흡착하는 방법을 반복하여 다층구조를 포함하는 염료감응 태양전지를 형성한다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 다층구조는 산화물이 포함된 분산액에 염료를 섞어 다양한 흡수 파장을 갖는 염료가 포함된 분산액을 사용하여 제조될 수도 있다. 다양한 염료가 포함된 분산액을 연속해서 전기 스프레이 방법으로 증착하여 다층구조를 포함하는 염료감응 태양전지를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 구현예는 제 1기판, 제 1투명전극(10), 염료 활성층(20)을 순차적으로 적층시켜 양극부를 제조하는 단계; 제 2기판, 제 2투명전극(50) 및 상대전극층(40)을 순차적으로 적층시켜 음극부를 제조하는 단계; 및 상기 양극부 및 음극부를 결합하고, 상기 양극부와 음극부 사이의 공간에 전해질(30)을 충진하는 단계를 포함하며, 상기 염료 활성층(20)은 제 1 투명 전극(10) 상에, (a) 금속산화물 및 염료를 함유하는 분산액을 전기 스프레이 방법으로 분사시켜서 염료층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 염료층을 열압착시키는 단계를 2회 이상 반복하여 제조되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이하 각 단계에 대해서 구체적으로 살펴보도록 한다.
상기 제 1구현예 및 제 2구현예에서, 제 1기판은 폴리에테르술폰, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 스테인레스, ITO(Indium Tin Oxide) 및 FTO(Fluorin-doped Tin Oxide) 등을 포함하는데, FTO 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제 2기판은 상기 제 1기판과 유사한 투명한 전도성 기판으로서, 제 1기판과 마찬가지로, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 스테인레스, ITO 및 FTO 등을 포함하는데, FTO 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전해질 층(30)에 사용되는 전해질은 I2와 금속 요오드화물 또는 유기 요오드화물의 조합 또는 Br2와 금속 브롬화물 또는 유기 브롬화물의 조합이 사용될 수 있다. 금속 요오드화물 또는 금속 브롬화물의 양이온으로 Li, Na, K, Mg, Ca 등이 사용될 수 있고, 유기 요오드화물 또는 유기 브롬화물의 양이온으로 이미다졸리움, 테트라알킬암모늄, 피리디니움 등이 사용될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 (a) 및 (b) 단계를 수행함으로써, 제 1 염료층이 형성된다. 그 후, 상기 (a) 및 (b) 단계를 반복하는 경우, 상기 제 1 염료층 상에 하나 이상의 염료층이 추가적으로 형성되고, 궁극적으로 다층구조를 갖는 염료 활성층이 형성된다. 도 3에 다층구조를 갖는 염료활성층을 도시하였는데, B, G, R층은 염료층을 나타낸다.
본 발명의 일 구현예에서 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm 및 Ga로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물이 사용될 수 있다. 다만, 아연산화물, 주석산화물, 갈륨산화물 및 산화티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 사용하는 것이 바람직하고, 산화티타늄을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에서 사용되는 전기 스프레이 장치를 도 4에 나타내었다. 상기 장치의 니들(needle)에서 분산액이 분사되어 기판 상에 도포되는데, 분산액 용량의 조절을 위해, 상기 기판과 니들 사이에 고전압이 공급되어야 한다. 이 경우, 바람직하게는 3kV 이상의 고전압, 보다 바람직하게는 5kV 내지 30kV 범위의 고전압이 공급되어야 한다.
상기 다층구조 염료 활성층(20)의 증착을 위한 분산액 중의 금속산화물의 농도는 바람직하게는 30중량% 이하, 보다 바람직하게는 20중량% 이하이다. 이 경우에, 금속산화물 입자의 입경이 5nm 내지 15nm인 것이 바람직한데, 첨가되는 금속산화물의 농도가 높을수록 제조되는 입자의 크기가 증대되어, 30중량% 이상일 경우에는 메조기공성 금속산화물 입자의 평균 크기가 20㎚ 이상이 되어 바람직하지 않다. 반대로, 함량이 낮을수록 제조되는 입자의 크기가 작아져서 1중량% 이하에서는 5nm 미만의 메조기공성 금속산화물 입자가 형성된다.
이러한 분산액의 제조를 위한 분산용매로서, 에탄올을 단독으로 사용할 수 있고, 에탄올에 물, 부탄올 및 메탄올 등을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 경우, 상기 분산액의 용매의 비점은 150℃ 미만인 것이 바람직하고, 50℃ 내지 100℃인 것이 보다 바람직하다.
상기 제1 구현예 및 제2 구현예에서 제조되는 염료 활성층(20)은 도 4에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 염료층을 포함한다. 상기 하나 이상의 염료층은 각각 서로 동일하거나 상이함 염료를 포함할 수 있다.
상기 다층구조 염료 활성층(20)에서 염료의 종류는 특별히 제한되지는 않으나, 가시광선, 적외선 및 자외선 모두를 흡수할 수 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금속 착화합물, 무기 염료 및 유기 염료가 사용될 수 있다. N3, N719, N749 등의 금속 착화합물, InP, CdS, CdSe, CdTe 등의 무기 염료 및 쿠마린, 포피린, 키산틴, 리보플라빈, 트리페닐메탄 등의 유기 염료를 사용할 수 있는데, N3, N719 및 포피린을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다층구조 염료 활성층(20)의 두께는 1㎛ 내지 50㎛일 수 있는데, 바람직하게는 10㎛ 내지 20㎛이다. 이러한 두께의 염료 활성층을 포함하는 경우, 태양전지 내로 충분한 양의 태양빛을 흡수할 수 있게 된다.
본 발명의 제 1 구현예 및 제 2 구현예의 (b) 단계에 있어서, 상기 염료 활성층(20)은 1톤 내지 10톤의 압력에서, 70℃ 내지 150℃의 열에 의해 압착되는 것이 바람직하고, 이러한 열압착 단계로 인해, 상기 b) 단계에서 형성된 염료 활성층(20)의 상호 접촉 특성 및 금속산화물 층과 전도성 기판 사이의 접착성이 향상된다.
본 발명의 제 3 구현예는 상기의 제조방법에 따라 제조된 염료감응 태양전지를 제공한다. 상기 염료감응 태양전지는 금속산화물 층 및 염료층이 적층된 다층의 구조를 갖는다. 이러한 다층구조를 갖는 염료감응 태양전지는 광범위한 태양빛을 흡수할 수 있어, 향상된 광흡수율 및 광전변환효율을 나타낸다.
이 경우, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 도 2에 개략적으로 나타내었으며, 이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 제 1기판(미도시)상에 제 1투명전극(10), 염료 활성층(20)이 순차적으로 적층된 양극부; 제 2기판(미도시), 제 2투명전극(50), 및 상대전극층(40)이 순차적으로 적층된 음극부를 포함한다. 나아가, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 상기 양극부 및 음극부가 결합되고, 결합된 상기 양극부와 음극부 사이의 공간으로 구비되는 전해질(30)을 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따라 제조된, 다층구조를 포함하는 염료감응 태양전지는 염료 활성층의 형성시 바인더가 없기 때문에 바인더를 제거하기 위한 후속 열처리가 필요하지 않다. 따라서 금속산화물 층의 형성 후 다양한 흡수 파장을 갖는 염료를 흡착하거나, 또는 다양한 흡수 파장을 갖는 염료가 흡착된 금속산화물 층을 다층으로 형성할 수 있다.
다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있는 다층의 염료 활성층을 포함함에 따라 태양전지 내로 조사된 빛의 광흡수율을 향상시킬 수 있으며, 이로 인하여 궁극적으로 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에만 제한되는 것은 아니다.
[
실시예
1]
양극부의
제조
FTO가 코팅된 유리 기판인 제 1기판 상에 제 1 투명전극을 적층하고, 상기 제 1투명전극 상에 8nm의 평균 입경을 갖는 산화티타늄 10중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 산화티타늄 층을 형성시켰다. 이 때, 전기스프레이의 니들과 기판 사이의 전압은 17 kV로 설정하였다.
형성된 산화티타늄 층과 전도성 기판 사이의 상호 접촉 특성을 향상시키기 위해, 70℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 1톤 내지 10톤의 압력으로 열압착시켰다.
상기 산화티타늄 층 상에 유기염료 1중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 염료층을 형성시켰다.
다층구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하기 위해, 형성된 4㎛ 두께의 염료층 상에 산화티타늄이 분산된 분산액의 분사, 열압착 및 유기염료가 분산된 분산액의 분사과정을 한 번 더 반복하여 양극부를 제조하였다.
음극부의
제조
제 2기판 상에 제 2 투명전극을 적층하고, 제 2 투명전극 상에 5mM의 H2PtCl6 용액을 코팅하여, 450℃에서 20분 동안 열처리하여 상대전극을 제조하여 음극부를 제조하였다.
전해질의
충진
앞서 제조한 양극부와 음극부를 접합시킨 후, 그 사이의 공간에 I2와 LiI가 조합된 전해질을 주입하고 봉합하여 2중층 구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[
실시예
2]
양극부의
제조
FTO가 코팅된 유리 기판인 제 1기판 상에 제 1 투명전극을 적층하고, 상기 제 1투명전극 상에 8nm의 평균 입경을 갖는 산화티타늄 10중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 산화티타늄 층을 형성시켰다. 이 때, 전기스프레이의 니들과 기판 사이의 전압은 17kV로 설정하였다.
형성된 산화티타늄 층과 전도성 기판 사이의 상호 접촉 특성을 향상시키기 위해, 70℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 1톤 내지 10톤의 압력으로 열압착시켰다.
상기 산화티타늄 층 상에 유기염료 1중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 염료층을 형성시켰다.
다층구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하기 위해, 형성된 4㎛ 두께의 염료층 상에 산화티타늄이 분산된 분산액의 분사 및 열압착 과정을 한 번 더 반복하고, N719염료 1중량%를 에탄올에 분산시켜 제조된 분산액을 분사시켜 양극부를 제조하였다.
음극부의
제조
제 2기판 상에 제 2 투명전극을 적층하고, 제 2 투명전극 상에 5mM의 H2PtCl6 용액을 코팅하여, 450℃에서 20분 동안 열처리하여 상대전극을 제조하여 음극부를 제조하였다.
전해질의
충진
앞서 제조한 양극부와 음극부를 접합시킨 후, 그 사이의 공간에 I2와 LiI가 조합된 전해질을 주입하고 봉합하여 2중층 구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[
실시예
3]
양극부의
제조
FTO가 코팅된 유리 기판인 제 1기판 상에 제 1 투명전극을 적층하고, 상기 제 1투명전극 상에 8nm의 평균 입경을 갖는 산화티타늄 10중량% 및 유기염료 1중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 산화티타늄 층을 형성시켰다. 이 때, 전기스프레이의 니들과 기판 사이의 전압은 17kV로 설정하였다.
형성된 산화티타늄 층과 전도성 기판 사이의 상호 접촉 특성을 향상시키기 위해, 70℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 1톤 내지 10톤의 압력으로 열압착시켰다.
다층구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하기 위해, 형성된 4㎛ 두께의 염료층 상에 상기 산화티타늄 및 유기염료가 분산된 분산액의 분사 및 열압착 과정을 한 번 더 반복하여 양극부를 제조하였다.
음극부의
제조
제 2기판 상에 제 2 투명전극을 적층하고, 제 2 투명전극 상에 5mM의 H2PtCl6 용액을 코팅하여, 450℃에서 20분 동안 열처리하여 상대전극을 제조하여 음극부를 제조하였다.
전해질의
충진
앞서 제조한 양극부와 음극부를 접합시킨 후, 그 사이의 공간에 I2와 LiI가 조합된 전해질을 주입하고 봉합하여 2중층 구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[
실시예
4]
양극부의
제조
FTO가 코팅된 유리 기판인 제 1기판 상에 제 1 투명전극을 적층하고, 상기 제 1투명전극 상에 8nm의 평균 입경을 갖는 산화티타늄 10중량% 및 유기염료 1중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 산화티타늄 층을 형성시켰다. 이 때, 전기스프레이의 니들과 기판 사이의 전압은 17 kV로 설정하였다.
형성된 산화티타늄 층과 전도성 기판 사이의 상호 접촉 특성을 향상시키기 위해, 70℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 1톤 내지 10톤의 압력으로 열압착시켰다.
다층구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하기 위해, 산화티타늄 10중량% 및 N719염료 1중량%를 에탄올 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 상기 형성된 4㎛ 두께의 염료층 상에 분사 및 열압착 과정을 한 번 더 반복하여 양극부를 제조하였다.
음극부의
제조
제 2기판 상에 제 2 투명전극을 적층하고, 제 2 투명전극 상에 5mM의 H2PtCl6 용액을 코팅하여, 450℃에서 20분 동안 열처리하여 상대전극을 제조하여 음극부를 제조하였다.
전해질의
충진
앞서 제조한 양극부와 음극부를 접합시킨 후, 그 사이의 공간에 I2와 LiI가 조합된 전해질을 주입하고 봉합하여 2중층 구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[
비교예
1]
양극부의
제조
FTO가 코팅된 유리 기판인 제 1기판 상에 제 1 투명전극을 적층하고, 상기 제 1투명전극 상에 8nm의 평균 입경을 갖는 산화티타늄 10중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 산화티타늄 층을 형성시켰다. 이 때, 전기스프레이의 니들과 기판 사이의 전압은 17kV로 설정하였다.
형성된 산화티타늄 층과 전도성 기판 사이의 상호 접촉 특성을 향상시키기 위해, 70℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 1톤 내지 10톤의 압력으로 열압착시켰다.
상기 산화티타늄 층 상에 N719염료 1중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 염료층을 형성시켜 단층구조의 양극부를 제조하였다.
음극부의
제조
제 2기판 상에 제 2 투명전극을 적층하고, 제 2 투명전극 상에 5mM의 H2PtCl6 용액을 코팅하여, 450℃에서 20분 동안 열처리하여 상대전극을 제조하여 음극부를 제조하였다.
전해질의
충진
앞서 제조한 양극부와 음극부를 접합시킨 후, 그 사이의 공간에 I2와 LiI가 조합된 전해질을 주입하고 봉합하여 2중층 구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[
비교예
2]
양극부의
제조
FTO가 코팅된 유리 기판인 제 1기판 상에 제 1 투명전극을 적층하고, 상기 제 1투명전극 상에 8nm의 평균 입경을 갖는 산화티타늄 10중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 산화티타늄 층을 형성시켰다. 이 때, 전기스프레이의 니들과 기판 사이의 전압은 17 kV로 설정하였다.
형성된 산화티타늄 층과 전도성 기판 사이의 상호 접촉 특성을 향상시키기 위해, 70℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 1톤 내지 10톤의 압력으로 열압착시켰다.
상기 산화티타늄 층 상에 유기염료 1중량%를 에탄올에 분산시켜 분산액을 제조하고, 이를 전기스프레이를 사용하여 분사시켜 염료층을 형성시켜 단층구조의 양극부를 제조하였다.
음극부의
제조
제 2기판 상에 제 2 투명전극을 적층하고, 제 2 투명전극 상에 5mM의 H2PtCl6 용액을 코팅하여, 450℃에서 20분 동안 열처리하여 상대전극을 제조하여 음극부를 제조하였다.
전해질의
충진
앞서 제조한 양극부와 음극부를 접합시킨 후, 그 사이의 공간에 I2와 LiI가 조합된 전해질을 주입하고 봉합하여 2중층 구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제조하였다.
| 샘플 | 개방 전압 (V) |
단락 전류 (mA/cm2) |
Fill Factor (%) |
광전변환효율 (%) |
Rs (Ω) |
Rsh (Ω) |
면적 (cm2) |
| 비교예 1 | 0.7985 | 0.3775 | 79.1276 | 0.238 | 423.1 | 1083950.2 | 0.25 |
| 비교예 2 | 0.7508 | 0.4852 | 66.1798 | 0.241 | 454.9 | 51958.9 | 0.25 |
| 실시예 1 | 0.7145 | 0.8147 | 68.4449 | 0.398 | 273.6 | 38715.3 | 0.25 |
| 실시예 2 | 0.7308 | 1.1051 | 74.9348 | 0.605 | 179.0 | 41764.9 | 0.25 |
표 1은 본 발명의 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 다층의 염료감응 태양전지의 일정한 면적에서 전압과 전류 밀도의 상관 관계를 나타낸 표이다. 도 1은 이를 개방전압 대 단락전류의 상관 곡선으로 나타낸 것이다. 단층의 염료층을 포함하는 염료감응 태양전지의 경우(비교예 1 및 비교예 2)보다 2중층의 염료층을 포함하는 염료감응 태양전지의 경우(실시예 1 및 실시예 2)에 보다 향상된 광전변환효율을 나타내었다. 또한, 단일의 염료가 적층된 구조(실시예 1)보다 흡수 파장이 상이한 2 이상의 염료가 적층된 경우(실시예 2) 훨씬 더 향상된 광전변환효율을 나타내었다.
이를 통해, 염료감응 태양전지의 경우, 광범위한 파장의 빛을 흡수할 수 있는 2중층 이상의 다층구조를 포함하여 광흡수율 및 광전변환효율이 향상됨이 확인된다.
10 : 제 1투명전극
20 : 염료 활성층
21 : 염료
30 : 전해질
40 : 상대전극층
50 : 제 2투명전극
20 : 염료 활성층
21 : 염료
30 : 전해질
40 : 상대전극층
50 : 제 2투명전극
Claims (13)
- 제 1기판, 제 1투명전극(10), 염료 활성층(20)을 순차적으로 적층시켜 양극부를 제조하는 단계;
제 2기판, 제 2투명전극(50) 및 상대전극층(40)을 순차적으로 적층시켜 음극부를 제조하는 단계; 및
상기 양극부 및 음극부를 결합하고, 상기 양극부와 음극부 사이의 공간에 전해질(30)을 충진하는 단계를 포함하며,
상기 염료 활성층(20)은 제 1 투명전극(10) 상에 하기 (a) 내지 (c) 단계를 2회 이상 반복함으로써 다층구조의 염료층을 포함하는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법:
(a) 금속산화물을 함유하는 분산액을 전기 스프레이 방법으로 분사시켜 금속산화물 층을 형성하는 단계;
(b) 상기 금속산화물 층을 열압착시키는 단계; 및
(c) 상기 금속산화물 층 상에 염료를 흡착시켜 염료층을 형성하는 단계. - 제 1기판, 제 1투명전극(10), 염료 활성층(20)을 순차적으로 적층시켜 양극부를 제조하는 단계;
제 2기판, 제 2투명전극(50) 및 상대전극층(40)을 순차적으로 적층시켜 음극부를 제조하는 단계; 및
상기 양극부 및 음극부를 결합하고, 상기 양극부와 음극부 사이의 공간에 전해질(30)을 충진하는 단계를 포함하며,
상기 염료 활성층(20)은 제 1 투명 전극(10) 상에 하기 (a) 및 (b) 단계를 2회 이상 반복함으로써 다층구조의 염료층을 포함하는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법:
(a) 금속산화물 및 염료를 함유하는 분산액을 전기 스프레이 방법으로 분사시켜서 염료층을 형성하는 단계; 및
(b) 상기 염료층을 열압착시키는 단계. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 염료층은 서로 동일하거나 상이한 염료를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 염료가 금속 착화합물, 무기 염료 및 유기 염료로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 염료 활성층(20)의 두께가 1㎛ 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 금속산화물이 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm 및 Ga로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 금속산화물이 산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 금속산화물 입자의 입경이 5nm 내지 15nm인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 분산액 중의 금속산화물 농도가 20중량% 이하인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 분산액 중의 용매의 비점이 150℃ 미만인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 상기 금속산화물 층 또는 염료층을 70℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 1톤 내지 10톤의 압력으로 열압착시키는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 분산액을 전기 분사 장치로 분사시키는 경우, 분사 장치의 니들과 기판 사이의 전압이 5kV 내지 30kV인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항 또는 제 2항의 방법에 따라 제조된 염료감응 태양전지.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101602300B1 (ko) * | 2014-09-15 | 2016-03-11 | 재단법인대구경북과학기술원 | 전기분사에 의해 적층된 금속산화물 층을 포함하는 염료감응 태양전지의 광전극층 및 이의 제조방법 |
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2013
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