KR101447618B1 - 광감응 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양 전지의 상대전극부에 광반사층과 전해질 산화/환원의 촉매층의 역할을 동시에 수행할 수 있는 복합 촉매층을 형성하여 제조 공정을 단순화하고 효율을 높일 수 있도록 한 광감응 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 그 구성은 광감성 염료의 흡착이 이루어지는 광전극부;상기 광전극부에 대향하여 구성되는 상대전극부;상기 광전극부 및 상대전극부의 사이에 위치하여 산화/환원 반응을 통하여 전자 전달 역할을 하는 전해질; 을 포함하고, 상기 상대전극부 상에 광반사 및 산란 그리고 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매로의 역할을 동시에 수행하는 복합 촉매층이 형성되는 것이다.

Description

광감응 태양전지 및 그의 제조방법{Light sensitized Solar Cell and Method for manufacturing the same}
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 구체적으로 상대전극부에 광반사층과 전해질 산화/환원의 촉매층의 역할을 동시에 수행할 수 있는 복합 촉매층을 형성하여 제조 공정을 단순화하고 효율을 높일 수 있도록 한 광감응 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 환경오염의 심각성 및 석유자원 고갈에 대한 위기감에 관한 인식 때문에 청정 대체 에너지에 관한 관심이 고조되었으며 무한하며 친환경적인 태양광 발전에 관한 연구 및 실용화에 많은 관심이 집중되고 있다.
현재 상용화 단계까지 이른 대표적인 태양전지는 실리콘 기반 태양전지로서 다른 태양전지에 비해 우수한 효율을 나타내는 장점이 있다.
그러나 실리콘 기반 태양전지의 경우 원재료인 실리콘의 제한성이 문제가 되고 있으며 이에 따라 태양전지의 고가화가 초래되어 문제시되고 있다. 이 때문에 많은 사람들은 저렴한 제조단가를 갖는 유기물 기반 태양전지에 관심을 갖고 있으며, 그 중에서도 상대적으로 높은 효율을 확보한 광감응 태양전지에 많은 관심이 기울여 지고 있는 실정이다.
광감응 태양전지는 기존의 반도체 접합 태양전지와는 달리 광합성의 원리를 이용한 광 전기 화학적 태양전지로 볼 수 있다. 비정질 실리콘 태양전지와 버금가는 고효율을 나타내기 때문에 학계 및 산업계에서 큰 이목을 끌고 있다.
광감응 태양전지는 광전극부, 상대전극부, 두 전극 사이의 전해질의 기본구성을 하고 있으며 광전극부는 투명 전극위에 나노입자형태의 반도체 산화물, 그 표면에 화학적으로 흡착되어있는 감광성 염료 분자로 구성되어진다.
상대전극부는 투명전극 위에 촉매층으로 구성되며 광전극부와 상대전극부 사이에 전해질이 위치하며 광감응 태양전지가 구성된다.
광감성 염료 분자에 태양빛이 흡수되면 염료 분자 내에서 전자-홀 쌍을 생성하며, 이 전자는 반도체 산화물로 전달된다. 이렇게 전달된 전자는 회로를 통해 상대전극부로 전달되며 상대전극부 표면에서 산화/환원 전해질로 전달이 되며 최종적으로 염료 분자에서 생성된 홀로 전달이 됨으로써 광감응 태양전지의 작동이 이루어진다.
이와 같은 광감응 태양전지는 일반적인 경우, 태양전지 설치 장소에 따라 투명성보다는 고 효율을 요구한다. 이와 같은 경우 광 수득률 향상을 위해 광전극에서 흡수되지 못하고 지나온 빛을 산란 혹은 반사시켜 다시 광전극에서 흡수시키기 위한 추가적인 산란층 혹은 반사층을 포함하기도 한다.
그러나 광전극의 수득률 향상을 위한 추가적인 산란층 혹은 반사층의 포함을 위해서는 어떤 경우에라도 태양전지의 기본 공정에 추가적인 공정이 필요하며 이는 곧 제조비용 상승의 원인이 될 수 있다.
따라서, 추가공정을 필요로 하지 않는 광 반사층이 포함된 광감응 태양전지의 제조 공정의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 광감응 태양전지의 문제를 해결하기 위한 것으로, 태양전지의 상대전극부에 광반사층과 전해질 산화/환원의 촉매층의 역할을 동시에 수행할 수 있는 복합 촉매층을 형성하여 제조 공정을 단순화하고 효율을 높일 수 있도록 한 광감응 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광감응 태양전지에서 광 수득률 향상을 위한 광 반사층을 포함한 광감응 태양전지에 있어서 광 반사층 형성에 추가적인 공정을 필요로 하지 않아 제조비용 절감의 효과를 갖는 광감응 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광반사용 입자 페이스트와 Pt 전구체의 혼합물을 상대전극부에 형성하여 광반사층과 전해질 산화/환원의 촉매층의 역할을 동시에 수행할 수 있는 복합 촉매층을 형성하여 효율을 높일 수 있도록 한 광감응 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광감응 태양전지는 광감성 염료의 흡착이 이루어지는 광전극부;상기 광전극부에 대향하여 구성되는 상대전극부;상기 광전극부 및 상대전극부의 사이에 위치하여 산화/환원 반응을 통하여 전자 전달 역할을 하는 전해질; 을 포함하고, 상기 상대전극부 상에 광반사 및 산란 그리고 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매로의 역할을 동시에 수행하는 복합 촉매층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복합 촉매층은, 광반사 및 산란을 위한 입자와 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 복합 촉매층에 포함되는 광반사 및 산란을 위한 입자는,티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr)으로 이루어진 금속 군에서 어느 하나 혹은 두 가지 이상으로 선택되는 금속의 산화물 입자를 사용할 수 있으며, 선택될 수 있는 금속 산화물들 중에는 산화 티타늄(TiO2)이 포함되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 복합 촉매층에 포함되는 광반사 및 산란을 위한 입자는, 구상, 판상, 봉상, 입방체상, 인편상의 형태 및 다른 크기를 갖는 입자들 중 하나 혹은 두 가지 이상으로 선택되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 복합 촉매층에 포함되는 촉매는, 백금, 탄소 소재 촉매층들 중에서 선택될 수 있고, 선택될 수 있는 백금 촉매의 전구체로는 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 광전극부는 빛을 투과시킬 수 있는 투명 지지체를 포함하고,투명 지지체는 PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PC(Poly Carbonate), PI(Polyimide)중의 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 유리 기판인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 광전극부는 생성된 전자의 이동을 위한 산화물 투명전극 막을 포함하고, 산화물 투명 전극막은 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 아연 옥사이드(AZO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 광전극부는 광을 직접적으로 흡수하여 전자를 생성하는 광감성 염료를 포함하고, 광감성 염료는 빛을 받아 전자를 생성시킬 수 있는 유기-금속 화합물 염료, 유기 염료, 고분자 염료, 반도체 나노 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 전해질은, 할로겐 화합물/할로겐 분자로 구성되는 액체 산화/환원 전해질, 이온성 액체, 고분자 준고체의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광감응 태양전지의 제조 방법은 투명 전극이 코팅된 기판 위에 반도체 산화물, 광감성 염료를 적층 형성하여 광 전극부를 제조하는 단계;투명 전극이 코팅된 기판 위에 광반사 및 산란 그리고 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매로의 역할을 동시에 수행하는 복합 촉매층을 형성하여 상대 전극부를 제조하는 단계;상기 광 전극부와 상대 전극부를 대향시켜 접합시키고, 광 전극부와 상대 전극부 사이에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복합 촉매층을, 광반사 및 산란을 위한 입자와 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매의 혼합물을 사용하여 닥터블레이딩 또는 스크린 프린팅 또는 스프레이 분무 방법으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 복합 촉매층을, 나노입자 형태의 반도체 산화물 페이스트와 촉매 전구체인 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6)의 혼합물을 닥터 블래이딩법을 이용하여 형성시킨 후 열처리를 하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 광감응 태양전지 및 그의 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 광감응 태양전지용 복합 촉매층을 형성하는 것에 의해 광반사층과 촉매층을 따로 형성하는 방법에 비해 공정비용 절감의 효과를 갖는다.
둘째, 반사층과 촉매층의 역할을 한번에 수행하는 복합 촉매층을 형성하여 공정 단계를 축소하고, 이에 따른 상대전극부 표면적 향상으로 효율을 향상시킬 수 있다.
셋째, 복합 촉매층의 표면적 증가로 인한 저항 감소에 의해 우수한 채움 인자와 단략 전류밀도를 갖도록 하여 단순화된 공정으로 고효율 광감응 태양전지 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광감응 태양전지를 나타낸 도면
도 2a내지 도 2i는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 비교 예에 따른 광감응 태양전지의 제조를 위한 공정 단면도
도 3은 본 발명의 비교 예 및 실시 예에 따라 제작된 광감응 태양전지의 전류밀도-전압 곡선
도 4는 본 발명의 비교 예 및 실시 예에 따라 제작된 광감응 태양전지의 등가 회로도
도 5는 본 발명의 비교 예 및 실시 예에 따라 제작된 광감응 태양전지의 임피던스 분석법을 이용해 얻은 나이퀴스트 선도
이하, 본 발명에 따른 광감응 태양전지 및 그의 제조방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 광감응 태양전지 및 그의 제조방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광감응 태양전지를 나타낸 도면이다.
본 발명은 광감응 태양전지의 상대전극부상에 광수득률을 향상시키는 반사층과 액체 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매층의 역할을 동시에 수행할 수 있는 복합 촉매층을 형성하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 광감응 태양 전지는 투명전극이 코팅된 기판위에 나노입자 형태의 반도체 산화물 페이스트와 촉매 전구체인 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6)의 혼합물을 닥터 블래이딩법을 이용하여 형성시킨 후 열처리를 하여 복합 촉매층을 형성한다.
상기 복합 촉매층을 이루고 있는 나노입자 반도체 산화물 페이스트의 종류는 광반사의 역할을 수행할 수 있다면 어떤 종류의 반도체 산화물인지, 어떤 형태, 어떤 모양의 나노 입자인지, 어떤 성분으로 구성된 페이스트인지, 어떤 촉매전구체 인지 등과 무관하게 특별히 한정하지 않는다.
그리고 상기 복합 촉매층을 이루고 있는 촉매 전구체는 광감응 태양전지 내의 전해질의 산화/환원 반응의 촉매 역할을 수행할 수만 있다면 촉매 전구체이든 아니든, 어떤 형태이든, 어떤 특성이든 무관하게 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 실시 예에 따른 광감응 태양전지는 도 1에서와 같이, 빛을 받아들여 전자를 생성시키는 광전극부와 회로를 이동한 전자가 되돌아오는 상대전극부를 포함하며 상기 광전극부와 상대전극부 사이에 산화/환원 반응을 통한 전자전달 역할을 수행하는 전해질을 포함한다.
상기 광전극부는 빛을 투과시킬 수 있는 투명 지지체(21), 생성된 전자의 이동을 위한 산화물 투명전극 막(22), 전자 전달 역할을 하는 반도체 산화물(25), 광을 직접적으로 흡수하여 전자를 생성하는 광감성 염료(26)를 순차적으로 적층한 것을 포함한다.
그리고 상기 투명 지지체(21)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 기판 중에서 선택하여 사용할 수 있으며 바람직하게는 PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PC(Poly Carbonate), PI(Polyimide)중의 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 유리 기판 등 빛을 투과 할 수 있는 투명한 지지체라면 특별히 한정하지 않으며 더 바람직하게는 유리 기판을 사용할 수 있다.
그리고 상기 투명 지지체(21) 상에 산화물 투명전극 막(22)을 적층 하여 사용 할 수 있는데, 산화물 투명전극 막(22)은 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 아연 옥사이드(AZO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며 바람직하게는 플루오르 틴 옥사이드(FTO)를 사용할 수 있다.
상기 산화물 투명전극 막(22)위에 광감성 염료로부터 전자를 전달받을 수 있는 반도체 산화물(25)이 적층되어 사용될 수 있다.
상기 반도체 산화물(25)로는 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등으로 이루어진 금속 군에서 선택되는 금속 산화물을 사용할 수 있으며 바람직하게는 산화 티타늄(TiO2)을 사용 할 수 있으며 보다 바람직하게는 아나타제형의 결정상을 갖는 산화 티타늄(TiO2)을 사용 할 수 있다.
이와 같은 상기 반도체 산화물(25)은 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용하는 경우도 포함한다.
그리고 상기 반도체 산화물(25) 표면에는 감광성 염료(26)를 흡착하여 사용할 수 있다.
상기 감광성 염료(26)는 반도체 산화물(25) 표면에 흡착이 가능하며 빛을 받아 전자를 생성시킬 수 있는 유기-금속 화합물 염료, 유기 염료, 고분자 염료, 반도체 나노 입자 등 어느 것 중에서도 선택이 가능하며 이들을 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며 특별히 한정하지 않는다.
그러나 바람직하게는 루테늄(Ru)계열의 유기-금속 화합물을 사용할 수 있으며 더 바람직하게는 시스-디아이소싸이오시아네이토-비스 2,2‘-바이피리딜-4,4;-다이카복실레이토 루테늄(II)비스 테트라 부틸암모늄(cis-diisothiocyanato-bis(2,2-bipyridyl-4,4- dicarboxylato) ruthenium (II) bis (tetrabutylammonium) (N719))을 사용 할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 광감응 태양 전지를 구성하는 광전극부는 상대전극부와 결합되는데, 상기 상대전극부는 지지체(23), 전극용 전도성 금속막(24), 복합 촉매층(28)이 순차적으로 적층 된 것이다.
여기서, 상기 지지체(23)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 기판 중에서 선택하여 사용할 수 있으며 바람직하게는 PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PC(Poly Carbonate), PI(Polyimide)중의 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 유리 기판 등 금속 막을 코팅할 수 있는 지지체가 될 수 있다면 특별히 한정하지 않는다.
상기 복합 촉매층(28)은 광반사 및 산란을 위한 나노 입자형태의 금속 산화물과 태양전지 내 전해질의 산화/환원을 촉진시켜 줄 수 있는 촉매의 혼합물로 구성된다.
여기서, 상기 복합 촉매층(28)에 포함되는 광반사를 위한 나노 입자형태의 금속 산화물은 광반사 및 산란이 가능한 적정 크기 이상의 반도체 산화물로, 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등으로 이루어진 금속 군에서 선택되는 금속 산화물을 사용할 수 있으며 바람직하게는 산화 티타늄(TiO2)을 사용할 수 있으며 보다 바람직하게는 400nm의 입자 크기를 갖는 산화 티타늄(TiO2)을 사용 할 수 있다.
상기 반도체 산화물은 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용하는 경우도 포함한다.
상기 복합 촉매층에 포함되는 광반사 및 산란을 위한 입자는 구상, 판상, 봉상, 입방체상, 인편상 등 다양한 형태 및 다양한 크기를 갖는 입자들 중 하나 혹은 두가지 이상으로 선택될 수 있다.
그리고 상기 복합 촉매층(28)에 포함되는 촉매는 백금, 탄소 소재 촉매층 등 광감응 태양전지의 동작을 원활하게 할 수 있게 하는 촉매 층이면 특별히 한정하지 않는다.
그리고 본 발명에 따른 광감응 태양 전지는 광전극부와 상대전극부의 사이에 전해질(27)이 위치할 수 있으며 할로겐 화합물/할로겐 분자로 구성되는 액체 산화/환원 전해질, 이온성 액체, 고분자 준고체 등 광감응 태양전지의 동작을 원활하게 할 수 있는 물질이면 특별히 한정하지 않는다.
바람직하게는 할로겐 화합물/할로겐 분자로 구성된 액체 전해질을 사용할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 광감응 태양전지의 제조 공정은 다음과 같다.
도 2a내지 도 2i는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 비교 예에 따른 광감응 태양전지의 제조를 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a에서와 같이, 광 전극용 기판을 제조하기 위하여, 플루오린 틴 옥사이드(FTO)(22)가 코팅된 유리 기판(21)을 분말형 세정제를 물에 녹인 용액에 담근 상태로 초음파 세정을 15분간 진행 한 후 증류수에 담긴 상태로 초음파 세정을 15분간 진행한다.
그 후에 아세톤을 이용하여 초음파 세정 15분 진행 후 아이소프로필알콜에 담근 후 초음파 세정 15분을 진행하여 세정 작업을 완료하고 세정이 완료된 FTO 기판은 60℃ 건조 오븐에서 30분 이상 건조한다.
이어, 도 2b에서와 같이, 세정이 완료된 FTO 기판 위에 Ti-Nanoxide T/SP를 닥터블레이드 방법을 이용하여 코팅하고, 100℃에서 20분간 가열 후 500℃에서 1시간 소성한다.
이후 완성시킨 TiO2 필름(25)의 입자간 커넥션(connection)향상을 위해 TiO2가 코팅된 기판을 40mM 티타늄(IV)클로라이드 용액에 담근 후 30분간 70℃에서 가열 후 꺼내어 증류수와 에탄올로 헹군 후 60℃에서 수 분간 건조 후 500℃에서 1시간 소성한다.
그리고 도 2c에서와 같이, 소성과정이 끝난 TiO2 필름(25)이 코팅된 기판을 24시간 가량 0.5mM N719 염료 용액에 담궈 놓음으로써 감광성 염료(26)를 흡착시킬 수 있다.
흡착이 끝난 후에 아세토나이트릴(Acetonicrile)을 이용하여 흡착되지 않은 염료를 헹궈낸 후 60℃오븐을 통해 건조시킨다.
이어, 도 2d에서와 같이, 완성된 광전극부 주변에 광감응 태양전지 제작을 위한 실런트(29)를 형성한다.
그리고 도 2e내지 도2f를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 광감응 태양전지용 상대전극부의 제조 방법을 설명한다.
도 2e에서와 같이, FTO(24)가 코팅된 유리기판(23)을 광 전극과 같은 크기로 자른 후 광전극부와 동일한 방법으로 세정한다.
도 2f에서와 같이, 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6)과 400nm의 입자 크기를 갖는 TiO2 페이스트를 혼합한 페이스트를 닥터블레이드 방법을 이용하여 상기 세정된 FTO(24)가 코팅된 유리기판(23)위에 코팅하고 400℃에서 30분간 열처리함으로써 복합 촉매층(28)을 형성한다.
여기서, 복합 촉매층(28)을 형성하는 공정은 닥터블레이딩 방법 이외에 스크린 프린팅, 스프레이 분무 방법 등이 사용될 수도 있음은 당연하다.
그리고 도 2h 내지 도 2i를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 광감응 태양전지용 광전극부와 상대전극부의 접합 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 2h에서와 같이, 상기 형성된 광전극부와 상대전극부를 샌드위치 형태로 접합한 후 셀 고정을 위해 집게로 물린 후 100℃로 10분가량 가열해준 후 상온으로 식히면 광감응 태양전지 조립이 완료된다.
그리고 도 2i에 도시된 바와 같이, 상기 조립된 광감응 태양전지에서, 전해질 주입구(30)를 통한 전해질(27) 주입이 완료되면 광감응 태양전지의 제조 공정이 마무리된다.
또한, 본 발명의 실시 예와의 비교를 위하여 비교 예 역시 동일한 조건으로 제작되었으나 비교 예에 따른 광감응 태양전지의 경우, 복합 촉매층 대신 도 2g에서와 같이 Pt 촉매층(28a)을 7mM의 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6)을 스핀코팅 후 400℃에서 30분간 열처리함으로써 형성한다.
이와 같은 공정으로 제조된 본 발명에 따른 광감응형 태양 전지의 전기적 특성을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 비교 예 및 실시 예에 따라 제작된 광감응 태양전지의 전류밀도-전압 곡선이고, 도 4는 본 발명의 비교 예 및 실시 예에 따라 제작된 광감응 태양전지의 등가 회로도이다.
그리고 도 5는 본 발명의 비교 예 및 실시 예에 따라 제작된 광감응 태양전지의 임피던스 분석법을 이용해 얻은 나이퀴스트 선도이다.
본 발명의 실시 예 및 비교 예의 측정을 위해 사용된 솔라 시뮬레이터를 이용한 전기적 특성 측정 조건은 AM 1.5 (1sun, 100mW/cm2)이다.
본 발명의 실시 예와 비교 예에 따라 제작된 광감응 태양전지의 단략전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc), 채움인자(F.F.), 관전변환효율(η) 값을 측정하여 하기의 표 1 및 도 3에 나타내었다.
Figure 112012031677539-pat00001
상기 표 1 및 도 3에 나타나는 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 광감응 태양전지는 비교 예에 의해 제작된 광감응 태양전지 보다 우수한 채움인자와 단략 전류 밀도를 가지며 따라서 효율도 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
이는 광반사층과 촉매층을 각각 형성하는 공정에 비해 축소된 공정으로도 광반사 효과에 의한 단략 전류 밀도 향상 결과를 볼 수 있어 공정 비용 절감 효과뿐만 아니라 본 발명에서 제시하는 공정에 의해 촉매층 표면적 향상으로 고효율 광감응 태양전지 구현이 가능하다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시 예에서의 채움인자(fill factor) 향상에 대한 좀 더 명확한 확인을 위해 임피던스 분석법을 시행하였으며 이를 통해 얻은 나이퀴스트 선도에 대한 결과를 하기의 표 2 및 도 5에 나타내었으며 본 결과에 대한 등가 회로를 도4에 나타내었다.
Figure 112012031677539-pat00002
일반적인 광감응 태양전지의 경우 R1의 값은 전해질과 촉매층 계면의 저항에 큰 영향을 받는다고 보고되어있다. 상기 표 1 및 도 5에 나타나는 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 광감응 태양전지는 비교 예에 의해 제작된 광감응 태양전지에 비해 낮은 R1 값을 가지며 이는 촉매층의 표면적 증가로 인한 저항 감소 및 이로 인한 채움 인자, 효율 상승으로 판단할 수 있다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
21. 투명 지지체 22. 산화물 투명 전극막
23. 지지체 24. 전극용 전도성 금속막
25. 반도체 산화물 26. 광감성 염료
27. 전해질 28. 복합 촉매층

Claims (12)

  1. 광감성 염료의 흡착이 이루어지는 광전극부;
    상기 광전극부에 대향하여 구성되는 상대전극부;
    상기 광전극부 및 상대전극부의 사이에 위치하여 산화/환원 반응을 통하여 전자 전달 역할을 하는 전해질; 을 포함하고,
    상기 상대전극부 상에 광반사 및 산란을 위한 입자와 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매의 혼합물로 이루어져, 광반사 및 산란 그리고 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매로의 역할을 동시에 수행하는 복합 촉매층이 형성되는 것을 특징으로 하는 광감응 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 촉매층에 포함되는 광반사 및 산란을 위한 입자는,
    티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr)으로 이루어진 금속 군에서 어느 하나 혹은 두 가지 이상으로 선택되는 금속의 산화물 입자를 사용할 수 있으며, 선택될 수 있는 금속 산화물들 중에는 산화 티타늄(TiO2)이 포함되는 것을 특징으로 하는 광감응 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 촉매층에 포함되는 광반사 및 산란을 위한 입자는,
    구상, 판상, 봉상, 입방체상, 인편상의 형태 및 다른 크기를 갖는 입자들 중 하나 혹은 두 가지 이상으로 선택되는 것을 특징으로 하는 광감응 태양 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 촉매층에 포함되는 촉매는,
    백금, 탄소 소재 촉매층들 중에서 선택될 수 있고, 선택될 수 있는 백금 촉매의 전구체로는 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광감응 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광전극부는 빛을 투과시킬 수 있는 투명 지지체를 포함하고,
    투명 지지체는 PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PC(Poly Carbonate), PI(Polyimide)중의 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판 또는 유리 기판인 것을 특징으로 하는 광감응 태양 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광전극부는 생성된 전자의 이동을 위한 산화물 투명전극 막을 포함하고,
    산화물 투명 전극막은 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 아연 옥사이드(AZO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광감응 태양 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 광전극부는 광을 직접적으로 흡수하여 전자를 생성하는 광감성 염료를 포함하고,
    광감성 염료는 빛을 받아 전자를 생성시킬 수 있는 유기-금속 화합물 염료, 유기 염료, 고분자 염료, 반도체 나노 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광감응 태양 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전해질은,
    할로겐 화합물/할로겐 분자로 구성되는 액체 산화/환원 전해질, 이온성 액체, 고분자 준고체의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광감응 태양 전지.
  10. 투명 전극이 코팅된 기판 위에 반도체 산화물, 광감성 염료를 적층 형성하여 광 전극부를 제조하는 단계;
    투명 전극이 코팅된 기판 위에 광반사 및 산란을 위한 입자와 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매의 혼합물을 사용하여 광반사 및 산란 그리고 전해질의 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매로의 역할을 동시에 수행하는 복합 촉매층을 형성하여 상대 전극부를 제조하는 단계;
    상기 광 전극부와 상대 전극부를 대향시켜 접합시키고, 광 전극부와 상대 전극부 사이에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광감응 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 복합 촉매층을,
    닥터블레이딩 또는 스크린 프린팅 또는 스프레이 분무 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광감응 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 복합 촉매층을,
    나노입자 형태의 반도체 산화물 페이스트와 촉매 전구체인 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6)의 혼합물을 닥터 블래이딩법을 이용하여 형성시킨 후 열처리를 하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광감응 태양 전지의 제조 방법.
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