KR101442649B1 - 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 산화물의 비표면적을 증가시켜 염료흡착율이 높아질 뿐 아니라 전자이동도가 우수하여 개방전압이 향상되며, 전자-홀 재결합을 방지함에 따라 우수한 광전 변환 효율을 만족하는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.

Description

염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 {Dye sensitized solar cell and its manufacturing method}
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염료 분자가 흡착된 금속 산화물로 이루어지는 반도체 전극을 구비하는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 갈수록 발전해가는 산업화와 공업화로 인하여 자원고갈 문제가 심화되고 있다. 이 문제를 해결하기 위한 신재생 에너지개발은 전세계적으로 주목하고 있는 분야이며, 이와 관련하여 새로운 에너지원과 환경기술에 관한 연구의 필요성이 강조되고 있다. 이에 기존 화석연료 기반의 에너지 대신 태양, 바람, 물 등의 청정자연을 이용한 에너지원에 대한 가치 기준이 높아지고 있는 실정이다.
태양전지는 광기전 효과에 의하여 태양빛을 전기로 직접 변환시키는 전기발생 장치이다. 이미 우리생활의 중요한 부분을 차지하고 있는 태양전지는 간단하게는 시계, 계산기 등의 전원으로 이용되며, 크게는 위성통신과 같은 항공우주 분야와 대규모 전기발전소에 사용된다. 태양전지의 종류는 실리콘(Si)태양전지, 무기태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기태양전지, 반도체 pn접합형과 반도체/액체 광전기화학형 태양전지가 있으며, 환경오염을 유발하지 않기 때문에 청정 재생에너지원으로 분류된다.
염료감응형 태양전지는 일반적인 반도체 태양전지와는 달리 광합성의 원리를 이용하여 전기를 공급하는 태양전지로써 1991년 Gratzel에 의하여 처음 고안되었으며, 제작이 간단하고, 가격이 저렴하며, 일상생활에서 다방면으로 접근이 가능하기 때문에 향후 많은 발전 가능성을 내포하고 있다.
염료감응형 태양전지는 태양광이 태양전지 셀에 입사되면 나노 결정 필름표면에 단일 층으로 흡착되어 있는 염료 고분자에 의해서 광자가 흡수되고, 이로 인하여 염료 고분자가 여기된 상태가 된다. 여기된 염료분자는 전자를 방출함으로써 산화되고, 방출된 전자는 광촉매 전극의 전도대로 이동하게 된다. 전자는 투명전극 셀을 통하여 빠져나가 외부 부하에 전기에너지를 전달한 후, 상대전극으로 이동하게 된다. 상대전극으로 가장 많이 사용하는 물질인 백금전극에서 요오드화 반응을 통하여 산화-환원쌍의 전해질로부터 전자를 받아 원래의 기저상태로 돌아가게 된다.
현재 염료 감응형 태양전지용 광전극으로 가장 많이 사용하는 TiO2 광촉매는 염료감응형 태양전지에 있어서 가장 높은 효율을 자랑하나, 실리콘태양전지를 포함한 기타 태양전지에 비하여 매우 낮은 효율에 속하기 때문에 효율개선을 개선할 필요가 있다.
태양전지의 광전 변환 효율을 증가시키기 위해서는 태양빛의 흡수를 증가 시키거나 반도체 산화물의 표면적을 증가시켜 염료의 흡착량을 높임으로써 전자의 생성을 늘릴 수 있다. 또는 투명 기판까지의 전자 이동이 불필요하게 길어져 전해질 내의 산화-환원종과 결합하는 역반응(charge recombination)이 발생하는 것을 방지하고, 생성된 여기 전자가 전자-홀 재결합을 방지할 수도 있다.
이와 같이 염료감응형 태양전지의 낮은 효율을 개선하기 위하여 종래에 다양한 방법들이 시도되고 있으나, 염료감응형 태양전지의 광전 변환 효율 향상에 한계가 있었으며, 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 반도체 산화물의 비표면적을 증가시켜 염료흡착 면에서 우수하며, 전자-홀 재결합을 방지하고 전자 이동도를 향상시켜 광전 변환 효율이 우수한 염료감응형 태양전지용 전극 및 제조방법을 제공하려는 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
투명전극; 상기 투명전극 일면에 도포되며 염료가 흡착된 반도체막; 상기 반도체막이 도포된 투명전극에 대향되도록 배치된 상대전극; 및 상기 투명전극과 상대전극 사이의 공간에 개재된 전해질;을 포함하고, 상기 반도체막은 2 이상의 금속 산화물을 포함하는 복합체이며, 질소로 도핑된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 반도체막은 타이타늄(Ti)산화물 및 타이타늄(Ti)산화물보다 높은 전도띠 에너지 준위를 가지는 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 반도체막은 타이타늄(Ti)산화물 및 지르코늄(Zr)산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 반도체막은 타이타늄(Ti)산화물 35 내지 45중량%, 지르코늄(Zr)산화물 1 내지15중량% 및 도핑된 질소 40 내지 60중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 반도체막의 BET 비표면적 값은 150m2/g이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 (1) 이산화티타늄(TiO2)의 전구체, 지르코늄(Zr)산화물의 전구체 및 질소 전구체를 혼합하여 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체를 제조하는 단계; (2) 투명전극에 상기 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체를 도포하는 단계; 및 (3) 상기 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체층에 염료를 흡착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 질소 전구체는 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium)을 포함 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 이산화티타늄(TiO2)의 전구체 100중량부에 대하여 지르코늄(Zr)산화물 전구체 10 내지 70 중량부 및 질소 전구체 90 내지 150 중량부를 혼합할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (1)단계에서 제조한 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체는 BET 비표면적 값은 150m2/g이상일 수 있다.
본 발명은 상술한 제조방법에 의해 제조된 염료감응형 태양전지용 광전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 제조방법에 따라 염료감응형 태양전지용 광전극을 제조하고, (4) 상기 염료감응형 태양전지용 광전극과 이격되어 대향하도록 상대전극을 배치하는 단계; 및 (5) 상기 광전극 및 상대전극 사이의 공간에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상술한 제조방법에 의해 제조된 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법은 반도체 산화물의 비표면적을 증가시켜 염료흡착율이 높아질 뿐 아니라 전자이동도가 우수하여 개방전압이 향상되며, 전자-홀 재결합을 방지함에 따라 우수한 광전 변환 효율을 만족하는 염료감응형 태양전지를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 염료감응형 태양전지의 단면도이다.
도2는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 질소도핑 복합 반도체막에 대한 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 기존의 염료감응형 태양전지는 낮은 광전 변환 효율이 문제 되었는 바, 이에 본 발명에서는 투명전극; 상기 투명전극 일면에 도포되며 염료가 흡착된 반도체막; 상기 반도체막이 도포된 투명전극에 대향되도록 배치된 상대전극; 및 상기 투명전극과 상대전극 사이의 공간에 개재된 전해질;을 포함하고, 상기 반도체막은 2 이상의 금속 산화물을 포함하는 복합체이며, 질소로 도핑된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
구체적으로, 도1은 본 발명의 일구현예에 따른 염료감응형 태양전지의 단면도이다. 염료감응형 태양전지(100)는 투명전극(10) 일면에 반도체층(20)이 도포되며, 반도체층(20)은 염료(23)가 흡착된 반도체막(21,22)을 포함한다. 반도체층(20)이 일면에 도포된 투명전극(10)에 이격 대향되도록 상대전극(40)이 형성되며, 투명전극(10)과 상대전극(40) 사이의 공간에는 전해질(30)을 포함한다.
먼저, 투명전극(10)은 통상적으로 염료감응형 태양전지의 전도성 투명기판으로 사용되는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 등의 투명 기판 상에 SnO2, ITO(indium tin oxide) 또는 FTO(fluoine-doped tin oxide)의 도전층 물질이 코팅될 수 있다. FTO(fluoine-doped tin oxide)는 열적 안전성이 우수하고, 표면저항이 낮으며 높은 빛 투과율을 가져 가장 바람직하다.
상기 투명전극(10) 일면에 도포되는 반도체막(21,22)은 2이상의 금속 산화물을 포함하는 복합체이면서 질소로 도핑되어 비표면적을 증가시키고, 전자-홀 재결합을 방지하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 2이상의 금속 산화물을 포함하는 반도체막(21,22)은 타이타늄(Ti)산화물, 주석(Sn)산화물, 아연(Zn)산화물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상 및 이보다 높은 전도띠 에너지 준위를 가지는 전이금속 산화물을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 타이타늄(Ti)산화물 및 지르코늄(Zr)산화물일 수 있다. 타이타늄(Ti)산화물과 함께 지르코늄(Zr)산화물을 포함한 실시예1의 경우 구리(Cu)산화물 또는 망간(Mn)산화물을 포함한 실시예3,4에 비하여 비표면적 향상이 현저하였으며, 광전 변화 효율에서도 우수하였다.(표 1,2 참조)
상기 반도체막은 바람직하게는 타이타늄(Ti)산화물 35 내지 45중량%, 지르코늄(Zr)산화물 1 내지15중량% 및 도핑된 질소 40 내지 60중량%를 포함할 수 있다.
타이타늄(Ti)산화물이 35 중량% 미만이거나 지르코늄(Zr)산화물이 15 중량%를 초과할 경우 전자의 이동성은 우수하지만 입자의 크기가 크고 불규칙하여 비표면적이 줄어들며, 염료 흡착량의 저하에 관한 문제가 있으며, 타이타늄(Ti)산화물이 45 중량%를 초과하거나 지르코늄(Zr)산화물이 1 중량% 미만일 경우 입자가 작고 균일하지만 전자의 이동의 저하와 전자의 재결합의 문제가 있을 수 있다.
복합 반도체막(21,22)의 표면은 질소 도핑되는데, 도핑된 질소의 함량이 40중량% 미만일 경우 비표면적의 감소로 염료 흡착양이 줄어들 수 있으며, 60중량%를 초과할 경우 입자의 뭉침 현상으로 공극이 발생 할 수 있다.
상기 타이타늄(Ti)산화물 및 지르코늄(Zr)산화물의 평균 입경은 15nm내지 150nm 일 수 있으며, 150nm를 초과할 경우 입자의 크기가 큰 편이므로 비표면적이 줄어들어 염료 흡착량의 감소를 초래 할 수 있다.
또한, 상기 반도체막(21,22)의 BET 비표면적 값은 150m2/g이상일 수 있다. 150m2/g 미만일 경우 염료를 흡착시킬수 있는 면적이 줄어들기 때문에 염료흡착량이 감소하여 Jsc가 감소하는 문제가 있으며, 반도체막의 비표면적이 150m2/g 이상으로 넓어짐에 따라 흡착되는 염료분자의 양을 증가시키게 되고 이는 빛을 흡수한 염료로부터 생성된 전자의 양을 증가시킬 수 있다.
상기 반도체막(21,22)에 흡착되며 태양광을 흡수하여 전자를 제공하는 역할을 하는 염료(23)는 통상적으로 염료감응형 태양전지의 반도체층에 흡착시키는 염료라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 루테늄 착물; 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소; 페노사프라닌, 카프리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조 색소; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 색소; 다환 퀴논계 색소 등일 수 있으며, 이들을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
반도체층(20)이 일면에 도포된 투명전극(10)에 이격 대향되도록 배치되어 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 상대전극(40)은 통상적으로 염료감응형 태양전지 상대전극을 구성하는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, 또는 TiO2 등을 포함할 수 있다.
투명전극(10)과 상대전극(40) 사이의 공간에 개재되는 전해질(30)은 통상적으로 염료감응형 태양전지에서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하는 홀 전도 기능이 있는 유기반도체 소재라면 특별한 제한은 없으나, 보다 바람직하게는 통상의 요오드계 산화 및 환원 전해질을 사용할 수 있으며, 요오드를 아세토나이트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시형태에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하면, (1) 이산화티타늄(TiO2)의 전구체, 지르코늄(Zr)산화물의 전구체 및 질소 전구체를 혼합하여 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체를 제조하는 단계; (2) 투명전극에 상기 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체를 도포하는 단계; 및 (3) 상기 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체층에 염료를 흡착시키는 단계;를 포함하여 제조한다.
상기 (1)단계의 질소 전구체는 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium), Urea, NH3·H2O 등 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium)일 수 있다.
또한, 금속산화물 전구체 용액 형성을 위하여 사용되는 용매는 Isopropyl alcohol, Methanol, Ethanol, Butyl alcohol 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 (1)단계는 이산화티타늄(TiO2)의 전구체 100중량부에 대하여 지르코늄(Zr)산화물 전구체 10 내지 70 중량부 및 질소 전구체 90 내지 150 중량부를 혼합할 수 있다. 지르코늄(Zr)산화물 전구체가 10 중량부 미만일 경우 반도체 투명전극에서의 전자이동성의 감소와 전자재결합의 문제점이 있으며, 70 중량부를 초과할 경우 입자의 크기가 크고 형태가 불규칙적으로 분포하여 염료흡착율이 감소하는 문제점이 있을 수 있다. 또한 밴드갭 에너지가 증가하여 염료로부터 생성된 전자가 반도체 투명전극으로 이동하는 양이 줄어들 수 있다. 질소 전구체가 90 중량부 미만일 경우 입자의 균일성이 떨어져 비표면적이 감소하여 염료흡착에 저하를 가져오며, 150 중량부를 초과할 경우 비표면적은 증가하나 입자가 뭉쳐 입자 간에 공극으로 인하여 빛의 투과량이 많아져 염료분자와 빛이 반응하는 양이 줄어드는 문제점이 있을 수 있다.
상기(2)단계는 투명전극에 상기 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체를 도포하는 단계이다. 투명전극은 통상적으로 염료감응형 태양전지의 전도성 투명기판으로 사용되는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 등의 투명 기판 상에 SnO2, ITO(indium tin oxide) 또는 FTO(fluoine-doped tin oxide)의 도전층 물질이 코팅된 것을 사용할 수 있다. 투명전극에 상기 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체층은 10 내지 25μm 두께로 도포될 수 있다. 10μm 미만일 경우 염료흡착이 원활히 이루어지지 않는 문제가 있으며, 25μm을 초과할 경우 두께로 인해 전극 내 전자전달이 어려워 전류밀도가 감소하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 (3)단계는 상기 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체층에 염료를 흡착킨다. 염료는 통상적으로 염료감응형 태양전지의 반도체층에 흡착시켜 태양광을 흡수하여 전자를 제공하는 역할을 하는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 루테늄 착물; 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소; 페노사프라닌, 카프리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조 색소; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 색소; 다환 퀴논계 색소 등일 수 있으며, 이들을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 (1)단계에서 제조한 질소 도핑 이산화티타늄(TiO2) 복합 반도체는 BET 비표면적 값은 150m2/g이상으로 넓어 흡착되는 염료분자의 양을 증가시키게 되고, 이는 빛을 흡수한 염료로부터 생성된 전자의 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기의 제조방법에 따라 제조된 염료감응형 태양전지용 광전극에 (4) 상기 염료감응형 태양전지용 광전극과 이격되어 대향하도록 상대전극을 배치하는 단계; 및 (5) 상기 광전극 및 상대전극 사이의 공간에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상대전극은 통상적으로 염료감응형 태양전지 상대전극을 구성하는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, 또는 TiO2 등이 포함된 것일 수 있다. 상대전극을 광전극과 이격되어 대향하도록 배치시킨 후 그 사이에 고분자막(50)을 형성하여 고정시킬 수 있다. 고분자막(50)은 열 또는 자외선에 의하여 경화되는 열가소성 고분자물질을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
상기(5)단계는 상대전극에 형성된 구멍을 통하여 광전극 및 상대전극 사이의 공간에 전해질을 주입한다. 전해질은 통상적으로 염료감응형 태양전지에서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 보다 바람직하게는 통상의 요오드계 산화 및 환원 전해질을 사용할 수 있으며, 요오드를 아세토나이트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예1>
TiO2 의 전구물질인 titanium(IV) isopropoxide 100중량부를 isopropyl alcohol에 혼합한 용액을 60℃에서 30분간 교반시키고, 지르코늄의 전구물질로 ZrO(NO3)2.2H2O 50중량부, 질소전구체 HDTMA(Hexadecyl-trimethylammonium) 120중량부 및 증류수 100ml를 30분간 교반시켰다.
교반시킨 두 수용액을 혼합하여 다시 30분간 교반시키고, poly ethylene glycol을 첨가하여 다시 30분간 교반시킨다. 위 혼합물을 500℃에서 2시간 소성시켜 최종적으로 지르코늄을 첨가한 질소 도핑 이산화티탄 분말을 수득하였다. (단 온도는 5℃/min으로 설정)
막자 사발에 제조한 분말과 acetic acid를 일정량 첨가하여 10분간 갈면서 증류수를 1분에 1ml씩 총 5회에 걸쳐 첨가시켰다. 증류수를 첨가한 후 에탄올을 1분에 1ml씩 15회 첨가하고, 다시 2.5ml씩 6회 첨가하였다. 제조한 분말의 분산을 원활하게 하기 위하여 막자로 혼합물을 계속 갈아주면서 물질을 첨가하였다.
막자 사발에 있는 혼합물을 비커에 옮겨 담고 에탄올 100ml를 채워 넣고 10분간 교반한 다음, Ultrasonic horn을 이용하여 2분간 초음파처리 하고 다시 10분간 교반시켰다. 이 과정을 5회 반복하였다.
분말을 페이스트화 시키기 위해 α-terpinol을 첨가하고, Ultrasonic horn으로 분산시킨 다음 ethyl cellulose를 분말 첨가량과 동일한 양을 첨가하여 20분간 교반하고, 초음파처리를 통하여 분산시키고 최종적으로 에탄올을 상온에서 증발시켜 이산화티탄 복합물질 페이스트를 수득하였다.
FTO기판을 일정한 크기(2cmX2.5cm)로 잘라 에탄올로 표면을 세척하고, 제조한 페이스트를 Screen printer를 이용하여 일정한 두께(25μm)로 도포(Warking area: 3mmX3mm)하고 전기로에 450℃에서 2시간 소성하였다.
제조한 전극을 염료(Dye N719)에 담그고, 오븐에서 50~60℃ 24시간 건조시켰다. 24시간 후 전극의 Warking area부분이 염료에 흡착된 것을 확인 할 수 있었다.
상대전극(Counter electrode)은 백금수용액을 이용하여 FTO기판에 Spin coating(2000~3000rpm, 20sec)시켜 전기로에 350℃ 1시간 소성한다. 백금이 코팅된 상대전극은 전해질을 넣기 위해 Sandblaster를 이용하여 기판에 hole을 뚫었다.
광촉매 전극과 상대전극을 접합시키기 위해 접착지인 surlyn지를 일정한 크기로 자르고, 두 전극을 압착시켜 오븐에 80~90℃ 건조시켰다. 최종적으로 조립한 기판의 상대전극 hole에 전해질을 주입하고, hole을 봉합하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
<실시예2>
질소 전구체로 HDTMA(Hexadecyl-trimethylammonium)를 대신하여 구아니딘염을 혼합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예3>
지르코늄의 전구물질 ZrO(NO3)2.2H2O을 대신하여 Cu(NO3)2·2H2O을 혼합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예4>
지르코늄의 전구물질 ZrO(NO3)2.2H2O을 대신하여 Mn(NO3)2·6H2O을 혼합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예5>
질소전구체 HDTMA(Hexadecyl-trimethylammonium) 50중량부를 혼합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예6>
질소전구체 HDTMA(Hexadecyl-trimethylammonium) 200중량부를 혼합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예7>
ZrO(NO3)2·2H2O 5중량부를 혼합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예8>
ZrO(NO3)2·2H2O 90중량부를 혼합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예1>
질소전구체 HDTMA(Hexadecyl-trimethylammonium) 및 ZrO(NO3)2·2H2O를 혼합하지 않은 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예2>
질소전구체 HDTMA(Hexadecyl-trimethylammonium)를 혼합하지 않은 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예3>
ZrO(NO3)2·2H2O 을 혼합하지 않은 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
반도체막 표면 질소 성분비
실시예1 TiO2 42중량% 54중량%
ZrO2 4중량%
실시예2 TiO2 77중량% 15중량%
ZrO2 8중량%
실시예3 TiO2 30중량% 40중량%
Cu2O 30중량%
실시예4 TiO2 34중량% 43중량%
MnO2 23중량%
실시예5 TiO2 58중량% 37중량%
ZrO2 5중량%
실시예6 TiO2 27중량% 70중량%
ZrO2 3중량%
실시예7 TiO2 44중량% 55.6중량%
ZrO2 0.4중량%
실시예8 TiO2 31중량% 39중량%
ZrO2 30중량%
비교예1 TiO2 100중량% -
- -
비교예2 TiO2 91중량% -
ZrO2 9중량%
비교예3 TiO2 44중량% 56중량%
- -
<실험예1> - BET표면적
시료의 비표면적은 액체 질소 흡착에 의한 BET 표면분석기(Quadrasorb SI Quantachrome. USA)를 이용하여 측정하였다.
비표면적(m2/g)
실시예1 187.352
실시예2 122.605
실시예3 140.757
실시예4 43.120
실시예5 117.931
실시예6 124.396
실시예7 153.748
실시예8 97.562
비교예1 68.241
비교예2 56.542
비교예3 130.533
상기 표2에서 알 수 있듯이, 전체적으로 비교예1 내지 3에 비하여 실시예1-8의 비표면적 값이 큰 것으로 나타났다.
가장 높은 비표면적을 보이는 것은 실시예1이었으며, 비표면적이 크므로 염료의 흡착량이 많아 염료와 빛이 반응하여 생성되는 전자의 양이 많아질 수 있다. 질소를 도핑 함으로써 입자를 조밀하게 분포시키고 비표면적을 현저히 향상시킬 수 있다. 상기 표2에서 비교예1 내지 2를 비교하였을 때 질소를 도핑한 경우 비표면적이 크게 증가함을 알 수 있다. 또한, 비교예3의 TiO2만을 포함하고 질소 도핑을 한 경우와 비교했을 때, 실시예1처럼 ZrO2을 혼합하고 질소 도핑한 경우가 비표면적 향상이 현저한 것을 알 수 있다. 실시예3,4의 Cu2O, MnO2를 혼합한 경우와 비교했을 때 ZrO2혼합 시가 비표면 향상에 현저히 효과적인 것으로 나타났다.
실시예4,8의 비표면적이 낮은 이유는 전이금속인 Mn와 Zr을 과다 첨가함으로써 TiO2입자주변에 도핑되는 양이 많기 때문에 입자의 크기가 커지고 이로 인해 비표면적이 줄어드는 현상을 보였다. 또한 실시예 5 내지 6을 비교하였을 때 질소의 첨가량에 따라 비표면적의 크기도 달라질 수 있다. 질소를 첨가함에도 오히려 비표면적이 감소하는 이유는 전이금속의 과량 첨가로 입자와 입자가 뭉쳐 큰 입자가 형성되어 전체적인 입자의 크기가 커지기 때문이다.
<실험예2> - 염료감응형 태양전지의 효율
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 3에 대하여 아래와 같은 방법으로 개방전압, 광전류 밀도, 충진계수 및 에너지 변환효율(energy conversion efficiency)을 측정하였다.
개방전압과 광전류 밀도는 I-V curve를 이용하여 분석하였다. 에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100 mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[300W, Oriel], AM1.5 filter 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하였다.
충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 아래 계산식을 이용하여 계산하였다.
충진계수(%) = ((JxV)max/JSC x VOC) x100
상기 계산식에서, J는 변환효율 곡선의 Y축값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc 및 Voc는 각 축의 절편값이다.
본 실시예에서 제조된 상기 염료감응형 태양전지에 대한 개방전압(Voc), 광전류밀도 (Jsc, ㎃/㎠), 충진계수(FF: %), 변환효율 (η: %)을 아래 표 3에 나타내었다.
Jsc(mA/cm2) Voc(V) FF (%) η (%)
실시예1 18.260 0.710 67.7 8.514
실시예2 2.954 0.675 50.5 1.486
실시예3 4.770 0.681 54.3 2.109
실시예4 7.145 0.700 58.4 3.014
실시예5 5.381 0.690 57.6 2.206
실시예6 7.976 0.760 59.5 3.748
실시예7 12.184 0.727 66.8 6.012
실시예8 11.139 0.720 63.4 4.720
비교예1 10.381 0.693 57.3 4.343
비교예2 9.640 0.708 54.4 3.425
비교예3 15.421 0.698 56.6 5.663
상기 표3에서 알 수 있듯이, 각 실시예 비교예의 효율분석 결과 실시예 1이 가장 높은 효율을 보였다. 비표면적 향상이 적은 실시예 2, 다른 전이금속 산화물을 포함한 실시예3,4는 전체적으로 낮은 효율을 보이는데, 이는 각각의 광촉매에 따른 밴드갭 에너지의 차이에 따른 문제와 전자의 이동성, 비표면적과 관련이 있다. 모든 광촉매에는 각각의 밴드갭 에너지를 가지고 있으며, 염료와 빛이 반응하여 염료분자에서 생성되는 전자가 가진 밴드갭 에너지가 제조한 광촉매 전극의 밴드갭 에너지 보다 낮게 존재한다면, 염료의 전자는 광촉매 전극으로 이동하는데 방해가 될 수 있다. 또한 비표면적은 염료흡착과 밀접한 관계를 가지며, 염료흡착이 많으면 많을수록 염료 내 전자 생성양이 많아 진다고 할 수 있다. 염료가 빛을 받아 전자가 들뜬 상태가 되었을 때 마찬가지로 광촉매 전극에서도 광촉매 내 전자가 들뜨게 된다. 염료 전자는 광촉매 전극의 정공에 채워지며 이동하게 되는데, 광촉매의 전자 재결합속도가 염료의 전자가 정공으로 채워지는 속도보다 빠르다면 전자의 이동에 방해가 될 수 있다.
또한, 질소 도핑 정도 또는 Zr의 함량이 본 발명 범위를 벗어난 실시예 5,6,7,8은 비교적 우수하나 실시예 1에 비하여 효율이 떨어지는 것을 볼 수 있다.

Claims (12)

  1. 투명전극;
    상기 투명전극 일면에 도포되며 염료가 흡착된 반도체막;
    상기 반도체막이 도포된 투명전극에 대향되도록 배치된 상대전극; 및
    상기 투명전극과 상대전극 사이의 공간에 개재된 전해질; 을 포함하고,
    상기 반도체막은 타이타늄(Ti)산화물 및 지르코늄(Zr)산화물을 함유한 복합체를 질소로 도핑한 것이고,
    상기 반도체막은 이산화티타늄(TiO2)의 전구체, 지르코늄(Zr)산화물의 전구체 및 질소 전구체의 혼합물을 500℃에서 2시간 동안 소성시켜 제조한 것으로서,
    상기 반도체막은 타이타늄(Ti)산화물 42 중량%, 지르코늄(Zr)산화물 4 중량% 및 질소 54 중량%를 포함하며,
    상기 반도체막의 BET 비표면적 값은 187.352 ㎡/g 이고,
    태양전지의 광전류밀도는 18.260 mA/cm2 이며, 광전변환효율은 8.514%인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100913308B1 (ko) * 2008-10-28 2009-08-26 (주)켐웰텍 구형 구조체를 적용한 염료감응형 태양전지
KR100921476B1 (ko) * 2007-08-29 2009-10-13 한국과학기술연구원 전기방사에 의한 금속산화물 나노입자를 포함하는금속산화물층을 구비한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100921476B1 (ko) * 2007-08-29 2009-10-13 한국과학기술연구원 전기방사에 의한 금속산화물 나노입자를 포함하는금속산화물층을 구비한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법
KR100913308B1 (ko) * 2008-10-28 2009-08-26 (주)켐웰텍 구형 구조체를 적용한 염료감응형 태양전지

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Wei Guo et al.,"Effect of N Dopant Amount on the Performance of Dye-Sensitized Solar Cells Based on N-doped TiO2 Electrodes", J. Phys. Chem. C 2011, Vol.115, pp.21494-21499 *
Xinchen Wang et al.,"ZrO2-Modified Mesoporous Nanocrystalline TiO2-xNx as Efficient Visible Light Photocatalysts", Environ. Sci. Technol. 2006, Vol.40, No.7, pp.2369-2374 *

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