KR101429401B1 - 전극체 및 그 제조방법 - Google Patents

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서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

전극체 및 전극체 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 전극체 제조방법은, (a) 기판(110) 상에 폴리머 입자(121)를 배치하는 단계; 및 (b) 기판(110) 및 폴리머 입자(121) 상에 촉매전극층(130)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전극체 및 그 제조방법{ELECTRODES AND PRODUCING METHOD THE SAME}
본 발명은 전극체 및 전극체 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 폴리머 입자를 배치하여 표면적이 향상된 전극체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
대체에너지 중 태양에너지는 무한 에너지이며 청정에너지이고, 지역에 관계없이 태양이 존재하는 곳은 어디서든지 이용할 수 있다는 점에서 대체에너지 중 가장 유망한 에너지원이다. 태양전지 중 염료감응형 태양전지는 타 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 제작 공정이 단순하여 향후 가능한 도달효율이 20%인 차세대 태양전지로써 주목을 받고 있다.
도 1은 종래의 염료감응형 태양전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
일반적인 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)는 작동전극(working electrode; 10), 상대전극(counter electrode; 20), 전해질(electrolyte; 30), 단자(41, 45) 등으로 구성되어 있다. 작동전극(10)은 기판(11), 투명전극층(12), 블록킹층(bloking layer; 13) 및 염료(dye; 15')가 흡착된 이산화 티타늄(titanium dioxide, TiO2)층을 포함하며, 상대전극(20)은 기판(21), 투명전극층(22) 및 촉매층(23)을 포함한다. 이 중에서 작동전극(10), 염료(15'), 전해질(30)에 대한 연구는 활발한 반면 상대전극(20)의 관한 연구는 상대적으로 미흡한 상태이다.
종래의 상대전극(20)은 백금(platinum, Pt), 이리듐(iridium, Ir), 루테늄(ruthenium, Ru) 등의 백금계 소재가 촉매층(23)으로 주로 사용되고 있으며, ITO(indium tin oxide), FTO(fluorine doped transparent oxide) 등의 TCO(tranparent conductive oxide)가 투명전극층(22)으로 주로 사용되고 있다. 따라서, 염료감응형 태양전지에는 작동전극(10) 및 상대전극(20)의 투명전극층(12, 22)을 구성하기 위해, 전체 재료비의 약 60%를 차지하는 고비용의 TCO가 필요하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 상대전극(20)은 빠른 환원반응과 낮은 전위를 보장하기 위해 촉매 활성이 요구되는 촉매층(23)과 촉매활성을 극대화하기 위해 유효 표면적이 넓은 투명전극층(22)을 필요로 한다. 하지만, 종래의 상대전극(20)은 유효 표면적을 향상시키기 위해 투명전극층(22)에 레이저 식각 등을 이용하여 패턴을 형성하는 방법을 사용했으므로 공정 비용이 증대되는 문제점이 있었다.
따라서, 투명 전도성 기판(TCO substrate)을 대체하거나, 가격을 저감하기 위한 구조 및 재료의 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 투명전극층 없이 유효 표면적을 향상시킨 전극체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 공정 비용을 감소시킨 전극체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체 제조방법은, (a) 기판 상에 폴리머 입자를 배치하는 단계; 및 (b) 상기 기판 및 상기 폴리머 입자 상에 촉매전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 폴리머 입자; 및 상기 기판 및 상기 폴리머 입자 상에 형성된 촉매전극층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 투명전극층 없이 전극체의 유효 표면적을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 공정 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 저온공정을 이용함으로써 유연기판을 기반으로 전극체를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 염료감응형 태양전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체의 제조과정을 나타내는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극체의 제조과정을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실험예 1에 따른 전극체의 FE-SEM 사진이다.
도 9는 본 발명의 실험예 2에 따른 전극체의 FE-SEM 사진이다.
도 10은 본 발명의 실험예 2에 따른 전극체의 I-V 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실험예 2에 따른 전극체의 나이퀴스트선도(Nyquist plot)를 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 하여 과장되어 표현될 수도 있다.
본 발명의 전극체(100, 100')는 염료감응형 태양전지의 상대전극(20)을 의미할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 다른 종류의 태양전지, 연료전지, LED, 디스플레이 소자 등의 전극체를 포함하는 의미로도 이해될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 전극체를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체(100, 100')의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체(100)는 기판(110), 폴리머 입자(121) 및 촉매전극층(130)을 포함한다.
기판(110)의 재질은 투명한 유리일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 유리 이외에도 플라스틱, 폴리머와 같은 광투과율이 높은 재질의 기판을 사용할 수 있다.
폴리머 입자(121)[또는, 폴리머 비드]는 기판(110) 상에 배치되어, 전극체(100)의 표면적을 넓히기 위한 템플레이트(template)로 기능할 수 있다. 폴리머 입자(121)는 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리우레탄(Polyurethane) 등의 폴리머 사슬 형태의 유기물로 구성될 수 있다. 특히, 무색투명, 뛰어난 전기적 성질, 빛 안정성, 열안정성 및 유동성으로 인한 성형가공의 용이형, 가격 등을 고려할 때, 폴리머 입자(121)는 폴리스틸렌으로 구성되는 것이 바람직하다.
기판(110) 상에 배치되는 폴리머 입자(121)의 직경은 100nm 이상, 1μm 이하일 수 있다. 따라서, 표면적이 증가시키는 본 발명의 목적의 범위 내에서 기판(110) 상의 폴리머 입자(121)가 기판(100)의 전면적을 커버하지 않고, 일부를 커버하고 있더라도 무방하다. 폴리머 입자(121)는 구형, 반구형, 아령형, 팔면체형과 같은 대칭형상인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
기판(110) 및 폴리머 입자(121) 상에는 촉매전극층(130)이 형성될 수 있다. 촉매전극층(130)은 공정 온도에 따라서, 0℃ 내지 120℃의 공정 온도에서는 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)을 이용하고, 120℃ 내지 250℃의 공정 온도에서는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다. 자세한 내용은 후술한다.
촉매전극층(130)은 백금(platinum, Pt), 이리듐(iridium, Ir), 루테늄(ruthenium, Ru), 팔라듐(palladium, Pd), 오스뮴(osmium, Os), 로듐(rhodium, Rd) 등의 백금족 금속, 알루미늄(aluminium, Al), 구리(copper, Cu), 금(gold, Au), 철(iron, Fe), 은(silver, Ag), 텅스텐(tungsten, W) 등의 전기전도도를 향상시키는 금속, 및 티타늄(titanium, Ti), 게르마늄(germanium, Ge), 주석(tin, Sn), 아연(zinc, Zn) 등의 촉매효과를 향상시키는 금속을 포함하는 전도성 금속, 또는 이산화 티타늄(titanium dioxide, TiO2), 산화 아연(zinc oxide, ZnO) 등의 산화물을 포함할 수 있다. 특히, 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용한, 균일한 저온 코팅을 가능하게 하는 루테늄(Ru)으로 촉매전극층(130)을 형성하는 것이 바람직하다.
대칭형상을 가지는 폴리머 입자(121)의 상부에 촉매전극층(130)이 폴리머 입자(121)의 형상을 따라 형성되므로, 촉매전극층을 폴리머 입자(121) 없이 평면으로 형성하는 것에 비해 촉매전극층(130)의 유효 표면적이 향상될 수 있다.
한편, 도 2의 (b)를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극체(100')는 촉매전극층(130)의 하부에 산화 아연층((Zinc Oxide Layer, ZnO Layer; 140)을 더 포함한다.
120℃ 이상의 온도에서는 폴리스티렌의 유리 전이(glass transition)이 발생하여 분해가 발생할 수 있다. 따라서, 폴리머 입자(121)의 상부에 촉매전극층(130)을 형성하기 위해서는 120℃보다 낮은 온도에서 공정이 이루어져야 한다. 이를 고려하여, 120℃보다 낮은 공정 온도, 구체적으로는 0℃ 내지 120℃의 공정 온도에서는 스퍼터링(sputtering) 등의 물리 기상 증착법(PVD)을 이용하여 도 2의 (a)에 도시된 촉매전극층(130)을 형성할 수 있다.
다만, 120℃ 내지 250℃의 공정 온도에서는 폴리머 입자(121)의 분해가 발생할 수 있으므로, 기판(110) 및 폴리머 입자(121) 상부에 산화 아연층(140)을 먼저 증착하는 것이 필요하다. 산화 아연(ZnO)은 100℃ 정도의 저온에서 증착이 가능하며, 대칭 육방정계(hexagonal) 구조, 이방성, 높은 굴절율과 3.37eV의 넓은 에너지의 직접밴드갭(direct energy band gap), 60meV의 큰 엑시톤 결합에너지(exciton binding energy)를 가지고 있어서 태양전지의 투명전극에 적용하기 적절하다.
산화 아연층(140)을 증착한 후, 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 산화 아연층(140) 상부에 촉매전극층(130)을 증착할 수 있다. 위와 같이, 본 발명은 산화 아연층(140)이 폴리머 입자(121)를 커버하고 있기 때문에, 120℃ 내지 250℃의 공정 온도에서도 폴리머 입자(121)가 분해됨이 없이 촉매전극층(130)을 증착할 수 있으며, 비교적 저온 영역에서 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 촉매전극층(130)을 산화 아연층(140)의 상부에 균일하게 증착하고, 원자층 수준에서 촉매전극층(130)의 두께를 조절할 수 있는 이점이 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체(100)의 제조과정을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 기판(110)을 준비한다. 기판(110)은 평판형 유리 재질인 것이 바람직하다.
이어서, 기판(110) 상에 폴리머 입자(121)를 포함하는 수용 현탁액(aqueous suspension; 120)을 코팅한다. 폴리머 입자(121)는 폴리스틸렌 입자인 것이 바람직하며, 구 형상을 가질 수 있다. 수용현탁액(120)은 피펫(pipette)을 이용하여 기판(110) 상에 떨어뜨리고, 스핀코팅을 이용하여 기판(110) 상부의 전체면에 코팅할 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 수용 현탁액(120)을 건조시킨 후, 기판(110) 상에 폴리머 입자(121)만을 남겨둔다.
이어서, 도 5를 참조하면, 기판(110) 및 폴리머 입자(121) 상에 촉매전극층(130)을 증착(P)한다. 촉매전극층(130)은 구 형상의 폴리머 입자(121)의 외면을 따라 증착될 수 있다. 촉매전극층(130)은 백금(Pt)을 포함하는 것이 바람직하며, 0℃ 내지 120℃의 공정 온도에서 물리 기상 증착법(PVD)을 이용하여 증착하는 것이 바람직하다. 위 과정을 통해 도 2의 (a)에 도시된 전극체(100)를 제조할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극체(100')의 제조과정을 나타내는 단면도이다.
전극체(100')의 제조과정에서도 도 4에 도시된 기판(110) 준비 및 기판(110) 상에 폴리머 입자(121)의 배치 과정은 동일하게 적용되므로 자세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 기판(110) 및 폴리머 입자(121) 상에 산화 아연층(140)을 형성한다. 산화 아연층(140)은 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 형성할 수 있다. 산화 아연층(140)은 구 형상의 폴리머 입자(121)의 외면을 따라 형성될 수 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 산화 아연층(140) 상에 촉매전극층(130)을 증착(P)한다. 촉매전극층(130)은 산화 아연층(140)의 외면을 따라 증착될 수 있다. 촉매전극층(130)은 루테늄(Ru)을 포함하는 것이 바람직하며, 120℃ 내지 250℃의 공정 온도에서 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 증착하는 것이 바람직하다. 위 과정을 통해 도 2의 (b)에 도시된 전극체(100')를 제조할 수 있다.
(실험예)
이하에서는, 본 발명의 일 실험예에 따른 전극체(100, 100')의 표면적 증가와 성능의 변화를 살펴보도록 한다.
본 발명의 실험예 1에 따른 전극체(100)의 제조를 위하여, 기판은 일반적인 평판 유리 기판(110)을 사용하였고, 100nm 직경을 가진 폴리스틸렌 입자(polystyrene bead, Fluka 사)(121)가 포함된 수용현탁액(120)을 피펫을 이용하여 기판(110) 상에 떨어뜨리고, 스핀 코팅 후, 80℃에서 2시간동안 건조하여 폴리스틸렌 입자(121)만을 남겼다. 이어서, RF 스퍼터(MHS-1500, Mooohan. Co., 300W, 13.56MHz)를 이용한 스퍼터링(sputtering)으로 백금(Pt) 촉매전극층(130)을 50nm두께로 증착하였다. 백금(Pt) 촉매전극층(130)의 증착을 위한 타겟으로 99.99%의 백금(Pt)을 사용하였으며, 40sccm 아르곤(Ar)을 반응기체로 사용하여 상온(RT)에서 5mtorr의 압력에서 증착을 수행하였다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 폴리스틸렌 비드(121) 상에 백금(Pt) 촉매전극층(130)이 증착된 전극체(100)의 전계방사 주사전자 현미경(FE-SEM) 사진이다. 도 8의 (a)는 100nm 직경의 폴리스틸렌 비드/50nm 두께의 백금(Pt) 촉매전극층, 도 8의 (b)는 1 μm 직경의 폴리스틸렌 비드/50nm 두께의 백금(Pt) 촉매전극층, 도 8의 (c)는 100nm와 1 μm 직경의 혼합 폴리스틸렌 비드/50nm 두께의 백금(Pt) 촉매전극층을 포함하는 전극체(100)를 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 플리스틸렌 비드(121)의 분포와 스퍼터링 공정을 통하여 백금(Pt) 촉매전극층(130)이 균일하게 증착된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 8의 (a), (b), (c)는 평판형 유리기판에 비해 유효 표면적이 각각 1.3배, 1.3배, 2배의 증가됨을 확인할 수 있었다.
본 발명의 실험예 2에 따른 염료감응형 태양전지 소자의 상대전극으로 작용하는 전극체(101')의 제조를 위하여, 기판은 일반적인 평판 유리 기판(110)을 사용하였고, 500nm 직경을 가진 폴리스틸렌 비드(polystyrene bead, Fluka 사)(121)가 포함된 수용현탁액(120)을 피펫을 이용하여 기판 상에 떨어뜨리고, 스핀 코팅 후, 80℃에서 2시간동안 건조하여 폴리스틸렌 입자(121)만을 남겼다. 이어서, 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 100℃에서 산화 아연층(140)을 증착하였다. 이때 전구체는 DEZn(diethyl zinc(Zn(C2H5)2))을 사용하고, 800cycle 공정으로 두께 100nm의 산화 아연층(140)을 증착하였다. 이어서, 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 산화 아연층(140) 상에 루테늄(Ru) 촉매전극층(130)을 250℃에서 34nm 두께로 증착하였다. 이때 전구체는 RuDi(isopropyl-methylbenzene-cyclohexadiene Ru)을 사용하고, 반응기체는 O₂를 사용하여 550cycle 공정으로 증착을 수행하였다.
한편, 염료감응형 태양전지 소자의 작동전극은, 스핀 코팅 방법으로 블록킹 층(blocking layer)을 코팅한 후, 닥터블레이드(Dr. blade) 방법으로 TiO2 산화물 페이스트(Dyesol DSL 18NR-T of 10)를 코팅 후 500℃, 30분간 열처리하여 TiO2 필름을 만들고, 이 후 0.5 mM cis-vis bis-ruthenium (Ⅱ) bis-tetrabutylammonium(N719)을 상온(RT)에서 12시간 흡착시켜, 기판/투명전극층(FTO)/블록킹층(blocking layer)/TiO2/염료(dye)의 구조를 갖는 작동전극을 완성하였다. 위에서 제작한 상대전극[즉, 전극체(101')]과 작동전극을 접합시켜 실링한 후, 전해질을 주입하여 최종적으로 기판/투명전극층(FTO)/블록킹층(blocking layer)/TiO2/염료(dye)/전해질/루테늄(Ru) 촉매전극층/산화아연층(ZnO)/500nm 직경의 폴리스틸렌 비드/기판의 수직단면을 가진 유효면적 0.45cm2 염료감응형 태양전지 소자를 완성하였다.
박막의 미세구조 관찰을 위해 FE-SEM(field emission scanning electron microscope, Hitachi사, S-4800)으로 15kV 가속전압을 사용하여 4만배까지 관찰하였다.
광전기적 특성 확인을 위해 solar simulator(PEC-L11, Peccell)와 potentiostat(Iviumstat, Ivium)를 이용하여 I-V(current-voltage), 임피던스를 측정하였다. 이때 광원은 100W Xenon lamp를 사용하여, 1 sun(100mW/cm2) 조건으로 분석하였다. I-V 분석은 단락전류밀도(short circuit current, Jsc), 개방전압(open circuit voltage, Voc), 필팩터(fill factor), 에너지 변환 효율(energy conversion efficiency)을 함께 확인하였다. 임피던스 분석은 10mHz∼1MHz의 주파수 범위에서 각각의 교류전압의 인가에 대한 전류응답의 결과를 측정하여 내부 임피던스를 분석하였다.
임피던스 측정 결과로 나온 나이퀴스트선도(Nyquist plot)를 통해 TCO/TiO2 계면의 저항과 전해질/상대전극 계면의 전하이동 저항을 나타내는 R1, 전자이동 저항과 TiO2/전해질 계면의 전자 재결합 저항을 나타내는 R2, 전해질내 산화-환원 종의 확산에 의한 와버그 임피던스를 나타내는 R3 로 이루어진 세 개의 반원을 확인하였으며, 이를 통해 각각의 계면 저항을 확인하였다.
도 9는 본 발명의 실험예 2에 따른 폴리스틸렌 비드(121) 상에 산화 아연층(140)을 형성되고, 산화 아연층(140) 상에 루테늄(Ru) 촉매전극층(130)이 증착된 전극체(100')의 전계방사 주사전자 현미경(FE-SEM) 사진이다. 도 9의 (a)는 기판/500nm 직경의 폴리스틸렌 비드, 도 9의 (b)는 기판/500nm 직경의 폴리스틸렌 비드/100nm 두께의 산화 아연층, 도 9의 (c)는 기판/500nm 직경의 폴리스틸렌 비드/100nm 두께의 산화 아연층/34nm 두께의 촉매금속층을 가지는 전극체(101')의 표면을 나타낸다.
도 9의 (a)를 참조하면, 유리 기판(110) 500nm 직경의 폴리스틸렌 비드(121)가 고르게 분포가 되어 있으나 폴리스틸렌 비드(121)간의 약간의 간격이 있는 것을 확인할 수 있었다. 이때 폴리스틸렌 비드(121)의 표면적은 반구형의 겉넓이라고 가정하여 반구 1개의 표면적은 0.39㎛2로 평판형 유리기판의 표면적이 0.25㎛2인 것에 비해 1.56배가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 9의 (b)를 참조하면, 도 9의 (a) 상에 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 100nm 두께의 산화 아연층(140)을 형성함으로써, 구 형상의 폴리스틸렌 비드(121)가 아닌 육각형으로 모양이 변형된 것을 확인하였으며, 도 9의 (a)에 비해 폴리스틸렌 비드(121)간의 간격이 없이 증착된 것을 확인하였다. 이는 원자층 증착법(ALD)을 이용한 산화 아연층(140)의 증착과정에서 펄스와 퍼지 공정을 통해 재배열을 한 것으로 판단되었다. 또한, 폴리스틸렌 비드(121) 위에 주름이 생긴 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 도 9의 (a)에 비해 표면적이 증가된 것을 확인할 수 있었다. 이때 폴리스틸렌 비드(121) 위에 생성된 주름을 반원기둥이라 가정하여 평균적으로 약 27개의 반원기둥이 생성되는 것을 확인하였으며, 하나의 반원기둥의 표면적이 0.024㎛2를 나타내어 주름을 가진 하나의 비드의 총 표면적은 0.64㎛2를 나타내었다. 이는 평판형 유리기판에 비해 표면적이 2.56배 증가한 결과임을 확인할 수 있었으며, 전체적으로 폴리스틸렌 비드(121)가 약 65% 정도 분산된 것을 감안하면 최종적으로 평판형 유리기판에 비해 1.64배의 표면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 9의 (c)를 참조하면, 도 9의 (b) 상에 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 34nm 두께의 루테늄(Ru) 촉매금속층(130)을 형성함으로써, 도 9의 (b)와 마찬가지로 주름이 유지되도록 루테늄(Ru)이 증착되었으며, 결국 도 9의 (b)와 마찬가지로 평판형 유리기판에 비해 1.64배의 표면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 10은 기판/34nm 두께의 루테늄(Ru) 촉매전극층을 포함하는 전극체(비교예) 및 기판/500nm 직경의 폴리스틸렌 비드/100nm 두께의 산화 아연층/34nm 두께의 루테늄(Ru) 촉매전극층을 포함한 전극체(101')의 I-V 측정 결과이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 전극체(100')는 비교예에 비해 I-V 수치가 우수함을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 전극체(100')는 단락전류밀도가 우수하게 나타났으며, 필팩터 또한 우수하게 나타남을 확인하였다. 이는 도 9의 (b)에서 확인한 바와 같이, 폴리스틸렌 비드(121)와 산화 아연층(140)의 증착으로 인해 표면적이 증가되어 나타나는 현상으로 판단된다.
아래 표는 도 10의 I-V 결과에 따른 단락전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 필팩터(FF), 에너지변환효율(η)을 나타낸다.
Figure 112013052911118-pat00001
비교예의 전극체를 상대전극으로 채용한 소자는 단락전류밀도, 개방전압, 필팩터가 각각 11.57, 0.584, 0.269의 특성을 보였고, 에너지변환 효율은 1.81 %를 나타내었다. 반면 전극체(101')를 상대전극으로 채용한 소자는 단락전류밀도, 개방전압, 필팩터가 각각 16.54, 0.621, 0.283이고, , 에너지변환 효율은 2.91 % 를 나타내어, 비교예의 전극체를 채용한 소자와 비교하였을 때 약 60%의 효율증가를 나타내었다. 이러한 효율 증가는 단락전류밀도와 필팩터의 증가로 인해 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 이는 전극체(101')의 유효 표면적이 증가되므로써 전자의 이동이 활발하게 되고 계면저항이 작아져서 나타나는 것으로 판단되었다. 즉, 동일한 작동전극을 채용한 소자를 기준으로 상대전극만을 달리하여 측정한 것을 고려하면, 상대전극의 표면적 증가에 따라 비례하여 최종효율이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
도 11은 비교예의 전극체와 실험예 2의 전극체(101')를 상대전극에 채용한 염료감응형 태양전지 소자에 인가된 주파수에 대해 실수항(Z')과 허수항(Z")으로 이루어진 나이퀴스트선도(Nyquist plot)를 나타낸다.
일반적인 염료감응형 태양전지의 내부저항에서는 세 가지의 반원 (R1, R2, R3)이 나타나는데, 비교예의 전극체와 실험예 2의 전극체(101')를 상대전극에 채용한 소자의 경우 상대전극의 저항을 나타내는 R1값이 너무 커 R2값과 중첩되어 하나의 반원으로 크게 나타나는 것으로 판단하였다. 실험예 2의 전극체(101')를 상대전극에 채용한 소자의 경우는 비교예의 전극체를 채용한 소자에 비해 계면저항이 작게 나타나는 것을 확인하였으며, 도 9의 (b)에서 확인한 바와 같이, 표면적 증가 때문으로 판단하였다. 즉, 기판/500nm 직경의 폴리스틸렌 비드/100nm 두께의 산화 아연층/34nm 두께의 루테늄(Ru) 촉매전극층의 다층 구조에 의해 계면저항이 작아지는 것을 확인하였다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전극체는 투명전극층 없이 폴리머 입자를 사용하여 전극체의 유효 표면적을 향상시킬 수 있을뿐만 아니라, 고가의 투명전극층 대신 저가의 폴리머 입자를 사용함으로써 공정 비용을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 물리 기상 증착법(PVD), 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 250℃보다 낮은 비교적 저온에서 공정을 수행할 수 있으므로, 열에 민감한 유연(flexible) 기판을 기반으로 전극체를 제조할 수 있는 가능성이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
100, 100': 전극체
110: 기판
120: 수용 현탁액
121: 폴리머 입자
130: 촉매전극층
140: 산화 아연층

Claims (13)

  1. (a) 기판 상에 폴리머 입자를 배치하는 단계; 및
    (b) 상기 기판 및 상기 폴리머 입자 상에 촉매전극층을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 입자는 구형, 반구형, 아령형, 팔면체형과 같은 대칭형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 입자의 직경은 100nm 이상, 1μm 이하인 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 입자의 재질은 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리우레탄(Polyurethane) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매전극층은 백금족 금속, 전도성 금속, 또는 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매전극층은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 촉매전극층은 0℃ 내지 120℃에서 형성하는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매전극층은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 기판 및 상기 폴리머 입자 상에 산화 아연층(Zinc Oxide, ZnO)을 형성하는 단계; 및
    (b2) 상기 산화 아연층 상에 촉매전극층을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 촉매전극층은 120℃ 내지 250℃에서 형성하는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 기판 상에 폴리머 입자를 포함하는 수용 현탁액을 코팅하는 단계; 및
    (a2) 상기 수용 현탁액을 건조하여 상기 기판 상에 상기 폴리머 입자를 배치하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극체 제조방법.
  12. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 폴리머 입자; 및
    상기 기판 및 상기 폴리머 입자 상에 형성된 촉매전극층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 폴리머 입자와 상기 촉매전극층 사이에 산화 아연층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전극체.
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