KR101462072B1 - 염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극 및 이것의 제조방법 - Google Patents
염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극 및 이것의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101462072B1 KR101462072B1 KR1020130049643A KR20130049643A KR101462072B1 KR 101462072 B1 KR101462072 B1 KR 101462072B1 KR 1020130049643 A KR1020130049643 A KR 1020130049643A KR 20130049643 A KR20130049643 A KR 20130049643A KR 101462072 B1 KR101462072 B1 KR 101462072B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- dimensional structure
- dye
- pattern
- solar cell
- photoelectrode
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 36
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 20
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 56
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 230000001788 irregular Effects 0.000 claims description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 5
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);selenium(2-) Chemical compound [Se-2].[Cd+2] UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 claims description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N zinc oxide Inorganic materials [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 18
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 13
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylate;ruthenium(2+);tetrabutylazanium;dithiocyanate Chemical compound [Ru+2].[S-]C#N.[S-]C#N.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 2
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 238000013041 optical simulation Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 239000010702 perfluoropolyether Substances 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- IVCMUVGRRDWTDK-UHFFFAOYSA-M 1-methyl-3-propylimidazol-1-ium;iodide Chemical compound [I-].CCCN1C=C[N+](C)=C1 IVCMUVGRRDWTDK-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butylpyridine Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=NC=C1 YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229920003182 Surlyn® Polymers 0.000 description 1
- YKQQQHPBZLZTMJ-UHFFFAOYSA-J [Ru+2].[Ru+2].[O-]C(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.[O-]C(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 Chemical compound [Ru+2].[Ru+2].[O-]C(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.[O-]C(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 YKQQQHPBZLZTMJ-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000000347 anisotropic wet etching Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 1
- UHESRSKEBRADOO-UHFFFAOYSA-N ethyl carbamate;prop-2-enoic acid Chemical compound OC(=O)C=C.CCOC(N)=O UHESRSKEBRADOO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYSA-N ferrocene Chemical compound [Fe+2].C=1C=C[CH-]C=1.C=1C=C[CH-]C=1 KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- ZJYYHGLJYGJLLN-UHFFFAOYSA-N guanidinium thiocyanate Chemical compound SC#N.NC(N)=N ZJYYHGLJYGJLLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 125000001810 isothiocyanato group Chemical group *N=C=S 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011022 opal Substances 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- -1 poly (dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920001021 polysulfide Polymers 0.000 description 1
- 239000005077 polysulfide Substances 0.000 description 1
- 150000008117 polysulfides Polymers 0.000 description 1
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000000820 replica moulding Methods 0.000 description 1
- 230000010076 replication Effects 0.000 description 1
- 230000005070 ripening Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/209—Light trapping arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
- H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2059—Light-sensitive devices comprising an organic dye as the active light absorbing material, e.g. adsorbed on an electrode or dissolved in solution
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 무기물 나노입자를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극으로서, 상기 광전극의 표면에 3차원 구조의 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극에 관한 것이다. 본 발명의 3차원 구조의 염료감응 태양전지용 광전극은 기존의 평평한 2차원 구조에서 마이크론 크기의 패턴들로 이루어진 3차원 구조로 구현함으로써, 전반사 및 빛 경로 길어짐 효과를 유발하고 빛 흡수율이 효과적으로 향상된 새로운 광전극을 제공한다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극 및 이것의 제조방법에 관한 것으로, 상기 염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극은 무기물 나노입자를 포함하고, 광전극의 표면에 3차원 구조의 패턴이 형성되어 광흡수 효율을 극대화하는 효과를 나타낸다.
재생에너지 자원은 증가하는 에너지 수요, 화석 연료의 부족 및 친환경적 에너지 자원에 대한 관심 증가로 인하여 지대한 관심을 받고 있다. 다양한 재생 에너지 중에서도, 태양 에너지는 무한한 에너지원으로 태양광선을 이용할 수 있기 때문에 좋은 후보로 여겨져 왔다.
염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)는 산화환원 전해질로 구성되어 있으며 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양 빛을 받아 전자를 방출함으로써 전기를 생산하는 전지이다. 염료감응 태양전지는 특정 염료를 흡착한 나노입자로 이루어진 광전극과 상대 전극 사이에 전해질을 채운 간단한 구조로 되어 있다. 유리 기판을 통과한 태양광은 염료와 만나는데, 이때 염료는 전자를 생성한다. 생성된 전자는 나노입자(전공)를 따라 투명전극으로 흐르게 되는데, 이것이 전기를 만들게 되는 것이다. 염료로는 일반적으로 다양한 무기물 및 유기물이 사용되고 있다. 전해질은 전자를 배출한 염료에 다시 전자를 생성시켜주는 역할을 담당한다. 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율은 광 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하기 때문에, 광 흡수에 의해 많은 양의 전자를 생성하기 위해서는 염료 분자의 흡착량을 증가시킬 수 있는 광전극의 제조가 요구되고 있다.
일반적으로 광전극의 두께가 감소함에 따라 광흡수는 감소하여, 광변환 효율의 저하를 야기한다. 광전극 두께의 감소로 인하여 광흡수 부족을 상충하기 위해 광을 효율적으로 포집하려는 다양한 시도가 있어 왔다. 특히, 염료감응형 태양전지(DSC)와 유기 태양전지(OPV)와 같이 제한된 필름 두께를 갖는 박막 태양전지의 광변환 효율을 향상시키는데 있어서 광포집 전략은 매우 유용하다. 예를 들면, inverse opal 나노구조, 광흡수층 위의 산란층 및 금속 나노구조의 표면 플라스모닉스는 DSC 광전극 내에서 입사광선을 효과적으로 포집하기 위해 적용된 사례이다 최근에는, 에칭된 투명한 전도성 유리 및 광흡수층 위의 중성 페이스트로부터 제작된 나노패턴의 광전극이 도입되었다. (S.-H. Han, S. Lee, H. Shin, H. S. Jung, Adv.EnergyMater. 2011,1,546, S. Ito, S. M. Zakeeruddin, R. Humphry-Baker, P. Liska, R. Charvet, P. Comte, M. K. Nazeeruddin, P. Pechy, M. Takata, H. Miura, S. Uchida, M. Grazel, Adv . Mater . 2006,18,1202, M. D. Brown, T. Suteewong, R. S. S. Kumar, V. D'Innocenze, A. Petrozza, M. M. Lee, U. Wiesner, H. J. Snaith, NanoLett . 2011,11,438).
종래기술로서, 도 1에 나타난 광전극 구조는 광전극 위에 추가적인 산란층을 도입하는 형태이다. 이는 수백 나노미터 이상 크기의 입자를 광전극 위에 코팅하여 광전극에서 흡수되지 않고 투과된 빛이 산란을 통해 재이용되는 구조이다. 이 방식은 광전극의 두께를 증가시킨다는 단점이 있으며, 특히 최근 각광 받고 있는 고체 염료감응 태양전지에서는 느린 전하 이동 때문에 산란층을 삽입하면 오히려 소자의 효율이 감소하는 현상을 보인다.
그러나 종래의 접근법은 두께 증가에 따른 전자 재결합 문제 및 낮은 염료 흡착도와 같은 일부 문제를 갖고 있어서, 염료감응 태양전지에 있어서 광전극의 두께를 증가시키지 않으면서 추가적인 산란층 없이도 빛을 효율적으로 광전극 내에 가두어 염료가 더 많은 빛을 흡수 할 수 있도록 하는 광 포집 기술에 대한 요구가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 무기물 나노입자로 이루어진 마이크로 사이즈의 3차원 구조의 염료감응 태양전지용 광전극 및 이것을 제작하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체예로서, 본 발명은 3차원 구조의 패턴이 표면에 형성되고, 무기물 나노입자를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극을 제공한다.
상기 3차원 구조의 패턴은 규칙 형태일 수 있다. 바람직하게는, 상기 3차원 구조의 규칙 형태는 렌즈형, 원통형, 피라미드형, 역 피라미드형, 또는 프리즘형일 수 있다.
상기 3차원 구조의 패턴은 불규칙 형태일 수 있다. 바람직하게는, 상기 3차원 구조의 불규칙 형태는 크기가 불규칙한 피라미드형일 수 있다.
상기 무기물 나노입자는 TiO2, ZnO, SnO2, WO3, CdSe, CdS 및 GaAs로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상일 수 있다.
상기 무기물 나노입자의 직경은 5~100 ㎚ 일 수 있다.
상기 3차원 구조의 광전극은 그 위에 산란층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 산란층은 무기물 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 산란층의 무기물 나노입자는 100~1000 ㎚ 크기를 가질 수 있다.
상기 산란층의 두께는 1-10 ㎛ 일 수 있다.
본 발명의 다른 구체예로서, 본 발명은 3차원 구조의 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 무기물 나노입자 페이스트를 임프린팅하여 나노입자로 이루어진 마이크로 사이즈의 3차원 구조의 광전극을 제조하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법은, (1) 3차원 구조의 패턴의 몰드를 제작하는 단계; (2) 무기물 나노입자 페이스트를 전도성 기판위에 코팅하는 단계; (3) 상기 3차원 구조의 패턴의 몰드를 상기 코팅된 무기물 나노입자 페이스트 위에 임프린팅 하는 단계; (4) 상기 3차원 구조의 패턴의 몰드-무기물 나노입자 페이스트를 20 ~ 100 ℃ 온도에서 어닐링 하여 3차원 구조의 나노입자층을 형성시키는 단계; (5) 상기 3차원 구조의 몰드를 상기 3차원 구조의 나노입자층으로부터 제거하는 단계; 및 (6) 상기 3차원 구조의 나노입자층을 약 200 ℃ 이상의 온도에서 처리하는 단계를 포함한다.
상기 몰드는 폴리(디메틸 실록산)(Poly(dimethyl siloxane), PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(poly (urethane acrylate), PUA) 또는 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether, PFPE)일 수 있다.
상기 3차원 구조의 패턴은 규칙 형태일 수 있다. 바람직하게는, 상기 3차원 구조의 패턴의 규칙 형태는 렌즈형, 원통형, 프리즘형, 피라미드형 또는 역피라미드형일 수 있다.
상기 3차원 구조의 패턴은 불규칙 형태일 수 있다. 바람직하게는, 상기 3차원 구조의 패턴의 불규칙 형태는 크기가 불규칙한 피라미드형일 수 있다.
상기 3차원 구조의 패턴의 몰드를 제작하는 단계에서, 상기 패턴이 규칙형태인 경우, 상기 몰드는 노광(photolithography) 공정 또는 마이크로 머시닝(micromachining) 방법에 의하여 제작될 수 있다. 바람직하게는, 상기 렌즈형 또는 원통형 몰드는 노광 공정을 통해 제작될 수 있고, 상기 프리즘형, 피라미드형 또는 역피라미드형 몰드는 마이크로 머시닝 방법을 통해 제작될 수 있다.
상기 3차원 구조의 패턴의 몰드를 제작하는 단계에서, 상기 패턴이 불규칙 패턴인 경우, 상기 몰드는 습식 식각 공정에 의하여 제작될 수 있다.
상기 무기물 나노입자 페이스트는 TiO2, ZnO, SnO2, WO3, CdSe, CdS 및 GaAs로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 무기물 나노입자 페이스트는 약 5~100 ㎚의 직경을 갖는 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 3차원 구조의 제조 방법은 (6) 단계 이후에 산란층을 추가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 산란층을 추가하는 단계는, 상기 3차원 나노입자층 위에 무기물 나노입자 페이스트를 코팅하는 단계; 및 상기 무기물 나노입자 페이스트가 코팅된 3차원 나노입자층을 고온에서 처리하는 단계를 포함한다.
상기 산란층은 무기물 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 산란층의 무기물 나노입자는 100~1000 ㎚ 크기를 가질 수 있다.
상기 산란층의 두께는 1~10 ㎛ 일 수 있다.
본 발명은 기존 2차원의 평평한 구조의 광전극을 3차원 구조로 구현함으로써 태양전지의 빛을 보다 효율적으로 이용 가능하게 하고, 이를 통해 염료감응 태양전지에서 광전류의 증가 및 광변환의 효율 향상을 유도한다. 또한 간단하고 경제적인 방법으로 기존 공정에 적용이 용이하다는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명은 액체 전해질 뿐만 아니라 고분자를 이용하는 준고체 염료감응 태양전지, 정공전달물질(hole transporting material)을 전해질로 이용하는 고체 염료감응 태양전지 등 모든 분야의 염료감응 태양전지에 적용 가능하다.
도 1은 광전극 위에 산란층을 도입한 종래의 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 3 차원 구조의 염료감응 태양전지의 광전극을 제작하는 방법을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 구조의 TiO2 광전극의 전자주사현미경(SEM) 이미지이다. (a) 렌즈형, (b) 원통형, (C) 프리즘형, (d) 피라미드형, 및 (e) 역 피라미드형을 각각 나타낸다. (스케일 바: 1 ㎛ (a), 10 ㎛ (a, b, c, d, e))
도 4는 본 발명에 따른 3차원 구조의 TiO2 광전극의 확대된 전자주사현미경(SEM) 이미지이다. (a) 원통형, (b) 프리즘형, (C) 피라미드형 및 (d) 역 피라미드형을 각각 나타낸다. (스케일 바: 500 nm)
도 5는 N719 염료를 흡착한 2차원 구조 및 3 차원 구조의 광전극의 광학 특성을 보여주는 사진(a)이다. 이것의 (b) 반사율, (C) 투과율, (d) 흡수율을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 구조의 광전극을 갖는 염료감응 태양전지의 광 전류-전압(J-V) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 7은 광전극에서의 빛 경로를 나타내는 그림이다. (a) 종래의 2차원 구조, (b) 3차원 원통형, (C) 3차원 프리즘형, 및 (d) 3차원 피라미드형을 각각 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 습식 식각 공정에 의한 3차원의 불규칙 패턴의 피라미드형 TiO2 광전극 제조 방법에 대한 모식도(a)이다. (b)~(d)는 이것의 전자주사현미경(SEM) 이미지이다(스케일 바: 5 ㎛(b, c) 및 1 ㎛ (d)).
도9는 본 발명에 따른 3차원의 불규칙 패턴의 피라미드형 TiO2 광전극 위에 산란층을 도입한 광전극의 단면도(a)이다. (b) 이것의 전자주사현미경 사진이다(스케일 바: 5 ㎛). (C) 광학 시뮬레이션 툴에 의하여 산란층을 도입한 피라미드형 광전극의 빛 추적 이미지이다. (d)는 광전극의 광전압-전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 3차원 구조의 광전극을 제조하는 방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 2는 본 발명의 3 차원 구조의 염료감응 태양전지의 광전극을 제작하는 방법을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 구조의 TiO2 광전극의 전자주사현미경(SEM) 이미지이다. (a) 렌즈형, (b) 원통형, (C) 프리즘형, (d) 피라미드형, 및 (e) 역 피라미드형을 각각 나타낸다. (스케일 바: 1 ㎛ (a), 10 ㎛ (a, b, c, d, e))
도 4는 본 발명에 따른 3차원 구조의 TiO2 광전극의 확대된 전자주사현미경(SEM) 이미지이다. (a) 원통형, (b) 프리즘형, (C) 피라미드형 및 (d) 역 피라미드형을 각각 나타낸다. (스케일 바: 500 nm)
도 5는 N719 염료를 흡착한 2차원 구조 및 3 차원 구조의 광전극의 광학 특성을 보여주는 사진(a)이다. 이것의 (b) 반사율, (C) 투과율, (d) 흡수율을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 구조의 광전극을 갖는 염료감응 태양전지의 광 전류-전압(J-V) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 7은 광전극에서의 빛 경로를 나타내는 그림이다. (a) 종래의 2차원 구조, (b) 3차원 원통형, (C) 3차원 프리즘형, 및 (d) 3차원 피라미드형을 각각 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 습식 식각 공정에 의한 3차원의 불규칙 패턴의 피라미드형 TiO2 광전극 제조 방법에 대한 모식도(a)이다. (b)~(d)는 이것의 전자주사현미경(SEM) 이미지이다(스케일 바: 5 ㎛(b, c) 및 1 ㎛ (d)).
도9는 본 발명에 따른 3차원의 불규칙 패턴의 피라미드형 TiO2 광전극 위에 산란층을 도입한 광전극의 단면도(a)이다. (b) 이것의 전자주사현미경 사진이다(스케일 바: 5 ㎛). (C) 광학 시뮬레이션 툴에 의하여 산란층을 도입한 피라미드형 광전극의 빛 추적 이미지이다. (d)는 광전극의 광전압-전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 3차원 구조의 광전극을 제조하는 방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
종래 평평한 광전극에서 흡수되지 못한 빛은 그대로 투과되어 재이용이 불가능한 반면, 본 발명은 3차원 구조 표면에서 전반사가 유발되어 미처 흡수되지 못한 빛의 재이용을 가능하게 한다. 따라서 높은 광포획 효과 특성을 보이며 소자의 광변환 효율 향상에 기여할 뿐만 아니라, 짧은 시간에 넓은 면적으로도 제작이 가능하다는 이점을 지니고 있다.
이에 따라, 본 발명은 무기물 나노입자로 구성된 염료감응 태양전지용 광전극을 기존의 평평한 2차원 구조에서 마이크론 크기의 패턴들로 이루어진 3차원 구조로 구현함으로써, 전반사 및 빛 경로 길어짐 효과를 유발하고 빛 흡수율이 효과적으로 향상된 새로운 광전극 제조에 관한 것이다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 제작 방법을 전체적으로 설명한다. 본 발명은 광전극에 코팅된 무기물 나노입자 페이스트를 소프트 임프린팅을 통해 3차원 마이크론 구조로 구현하는 방법을 제공한다. 이 방법은 넓은 면적에서 나노입자로 구성된 균일한 3차원 구조를 구현하는데 매우 용이하다는 장점이 있다. 또한 공정 시간이 매우 짧고, 임프린팅 시간이 수 초에 불과하고, 숙성 시간은 10 분 정도가 걸린다. 기존의 광전극 제조 공정에도 적용이 용이하다는 장점이 있으며, PDMS 몰드의 낮은 단가를 바탕으로 경제적인 생산이 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 구조의 패턴화를 갖는 광전극의 전자주사현미경 이미지를 보여준다. (a)는 렌즈형 패턴화된 TiO2 광전극(직경 500 ㎚), (b)는 원통형 패턴화된 TiO2 광전극(직경 2 ㎛, 높이 3.5 ㎛), (c)는 프리즘형 패턴화된 TiO2 광전극(폭 25 ㎛, 높이 11.5 ㎛), (d)는 피라미드형 패턴화된 TiO2 광전극(폭 25 ㎛, 높이 12 u㎛ 및 (e)는 역 피라미드형 패턴화된 TiO2 광전극(피라미드와 동일)의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 패턴화된 광전극은 대면적에서 TiO2 나노입자로 균일하고 세밀하게 정렬되어 구성되어 있다.
도 5에서 보는 바와 같이, 광전극은 동량의 염료를 흡착하였지만, 종래의 2차원의 평면 광전극보다 본 발명의 3차원 패턴화된 광전극이 더 빛을 많이 흡수하여 진한 붉은 색임을 확인할 수 있다(도 5a). 즉, 3차원 구조의 광전극은 광포집 능력의 향상과 함께 흡착능이 상당히 증가한다. 3차원 구조의 광전극들 중에서 피라미드 모양의 패턴화된 광전극은 프리즘 모양의 패턴화된 광전극보다 더 많은 빛을 포집한다(도 5d). UV/Vis 흡착 스펙트럼은 측정된 투과율(T)과 반사율(R)에 의하여 계산된다(흡착(%)=100-T-R).
도 6의 그래프는 본 발명에 따라 제작된 다양한 모양의 패턴화된 광전극을 갖는 염료감응태양전지의 광 전류-전압(J-V) 특성을 보여준다. 피라미드-패턴화된 TiO2 광전극은 포집된 빛의 양의 증가로 인하여 가장 높은 광전류(Jsc) 및 광변환효율(PCE)을 나타낸다.
도 7에서와 같이, 다양한 패턴의 광전극에서 빛 포집 효과는 라이트 툴(LightTooL)에 의한 시뮬레이션 결과에서 명확히 나타난다. 광학 시뮬레이션을 위하여, 본 발명의 일 실시예에서, 반사 지수 2.0과 1.33을 갖는, 전해질과 염료를 함유하는 TiO2 나노구조(TiO2 나노구조의 구멍 안에 전해질을 존재)를 사용하였다. 반사 지수의 차이는 피라미드형으로 패턴화된 TiO2 광전극의 경사진 측면(facet)상에서 전체 반사를 유도하고, 입사각이 3차원 광전극내에서 효율적으로 포집된다. 이러한 측면에서, 2차원 광전극에서 대조군 투과율(540 nm에서 15%, 650 nm에서 57% 파장)을 갖는 Beer-Lambert Law에 의한 염료 흡착을 고려하여, 빛 추적(ray tracing) 방법에 의하여 다양한 패턴의빛 경로 길어(optical path length)를 계산하였다.
표 1은 상대적 빛 경로 길이를 나타내고 있으며, 이는 평평한 광전극의 광 길이에 대한 패턴화된 구조의 광 길이를 의미한다. 피라미드형 패턴화된 광전극은 가장 높은 흡수율을 보여주며, 이는 경사진 측면 상에서 총 반사로 인하여 테스트된 다양한 모양 중에 빛 경로 길이에 비례한다. 이는 총 내부 반사에 기인하여 효율적 광포집 능력을 보여주는 실험적 및 시뮬레이션 결과가 표면 처리된 실리콘 기판의 분석과 거의 일치한다. 이러한 2차원의 평평함, 3차원의 피라미드형, 역 피라미드형과 같은 다양한 모양의 광포집 특성을 비교하면, 3차원 피라미드형 구조에서 가장 큰 빛 경로 길어짐 효과를 나타냈다. 염료감응 태양전지의 경우에, 입사광은 투명한 FTO 기판상에 비추어지기 때문에, 실리콘 태양전지에서 역 피라미드의 효과는 순 피라미드-패턴화 광전극에서의 효과와 동일하다.
[표1]
도 8에 따르면, 본 발명의 또다른 구체예로서, 3차원 구조의 불규칙 패턴화광전극을 나타낸다. 본 발명의 광전극은 3차원 불규칙 패턴에 의한 구조일 수 있다.
이러한 불규칙 패턴화 방법은 본 발명에서 제공하는 소프트 몰딩 방법이 3차원 구조의 대면적에서 저렴하지만, 비싸고 시간이 걸리는 복잡한 반도체 프레싱 또는 기계적 머싱 방법을 사용한다는 점에서 여전히 3차원 패턴 마스터를 제작하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에, 본 발명은 습식 에칭에 의한 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐링 방법을 이용하여 더욱 간편하게 효율성이 높은 광전극을 제작할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 PDMS 모사를 위한 마스터로서 이것을 이용하였다. PDMS 복제 몰딩으로, 본 발명은 불규칙 피라미드형의 TiO2 광전극을 제작할 수 있다. 이것은 상이한 크기의 피라미드가 표면에 불규칙으로 배열되었으며, 이방성 습식 식각을 갖는 결정질 실리콘 기판을 텍스쳐링할 수 있다.
도 9에 따르면, 불규칙 패턴화된 광전극 위에 산란층을 추가로 포함한 광전극을 보여준다. 불규칙 패턴화된 광전극이 습식 식각 공정으로 제작되어 저렴하고 간단하며, 규칙적으로 배열된 피라미드 광전극과 비교하여 보면, 유사한 Jsc 및 PCE 값을 갖는 것을 알 수 있다(표2)
[표2]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
도 10을 참조하여, 본 발명의 3차원 구조의 광전극을 구현하는 방법을 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 아니하며, 설명의 용이함을 위해 TiO2를 무기물 나노입자로 사용하고 I-/I3 - 용액을 전해질로 사용하며, N719 염료를 염료로 사용하여 3차원 구조 광전극 구현 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 제작 방법을 아래에 구체적으로 기재하였다.
Step1: 3차원 구조 PDMS 몰드 준비
마스터는 렌즈형 또는 원통형 구조의 경우 통상의 노광 공정(photolithography)을 통해 제작하며, 프리즘 또는 피라미드 구조는 마이크로 머시닝 방법(micromachining) 을 통해 제작한다. 불규칙 패턴 형태의 피라미드형 구조 마스터는 실리콘 웨이퍼를 KOH 용액에 10분간 담지 하여 식각된 표면을 이용해 제작한다.
이렇게 제작된 마스터 위에 열경화가 가능한 액체 상태 고분자인 폴리(디메틸 실록산)(PDMS) 프리폴리머를 붓고 골고루 액체를 펴준 후 80℃의 온도에서 이를 경화시켜 패턴된 3차원 PDMS 몰드를 구현하였다. 한편, 역 피라미드형 구조의 경우 이중 복제 과정을 거쳤다. 즉, 피라미드형 마스터에 액체 상태 고분자인 폴리(우레탄 아크릴레이트) (PUA) 프리폴리머로 먼저 패턴을 형성 한 후 그 위에 PDMS 프리폴리머로 경화시키는 공정을 거쳐 PDMS로 만들어진 패턴된 몰드를 형성시킨다.
Step 2. 나노입자 페이스트 코팅 및 임프린팅
약 20~50 ㎚ TiO2 나노입자로 구성된 페이스트를 닥터 블레이드 코팅 (Doctor blade coating) 혹은 스크린 프린팅(screen printing)을 통해 투명 전도성 기판위에 코팅한다. 먼저 FTO 유리 위에 전자 차페막(electron blocking layer)을 1-부탄올에서 용해한 Ti(IV) 비스(에틸 아세토아세타토)-디이소프로폭시드의 0.1 M로 스핀 코팅에 의하여 형성하였다. 2차원 평평한 TiO2 광전극은 FTO 기판(시트 저항 8 Ω, 필킹톤) 상에 TiO2 페이스트(DSL 18 NR-T, 디에솔)로 닥터 블레이드 방법에 의하여 제조하였다. 또한, 예추석(anatase) TiO2 입자(WER2-O, 디에솔) 150~250 ㎚의 페이스트를 산란층으로 사용하였다.
코팅된 나노입자 페이스트 위에 미리 제작한 3차원 구조의 PDMS 몰드를 올리고 압착시킨다. 닥터 블레이드 코팅된 평평한 2차원 TiO2 페이스트를 PDMS 몰드를 이용한 소프트 몰딩 방법에 의하여 3차원 패턴화된 구조로 제작하였다.
Step 3. 어닐링 및 몰드제거
70 ℃의 온도에서 10분간 페이스트의 용매를 증발시켜 금속 나노입자로 이루어진 구조를 유지시킨 후 상온에서 몰드를 다시 때어낸다.
Step 4. 고온처리
전도성 기판위에 만들어진 고형화된 3차원 구조 TiO2 광전극을 500 ℃ 고온에서 15분간 소결하여 페이스트의 유기 성분을 완전히 제거하였다.
또한, 광 수집의 극대화를 위해 산란층을 100 ㎚ 이상 크기의 TiO2 나노입자로 구성된 나노입자 페이스트를 닥터 블레이드 코팅을 통해 형성시키고 다시 500 ℃ 고온에서 유기물 및 용매를 제거한다.
Step 5. 염료 흡착
고온처리 후 TiO2 나노입자로 이루어진 광전극을 N719 염료 용액, 아세토니트릴 중 (시스-비스(이소티오시아나토) 비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실라토)-루테늄 (II) 비스-테트라부틸 암모늄(디에솔, 0.3 nM) 및 3차-부탄올 용액)(1:1 v/v)을 30 ℃의 온도에서 18시간동안 담지하여, TiO2 나노입자 표면에 염료를 흡착시켜 광전극을 구현한다.
이와 같이 제작된 3차원 구조의 광전극을 이용하여 다음과 같이 염료감응 태양전지를 제조한다. Pt 카운터 전극은 전도성 기판 위에 H2PtCl6(0.01 M) 이소프로필 알코올 용액을 스핀 코팅하여 500 ℃의 온도에서 15분 동안의 열 분해 후, 전해질 주입을 위한 2개의 구멍을 뚫어서 제작하였다. TiO2 광전극은 썰린(surlyn) 필름(25 ㎛, 솔라로닉스)을 사용하여 카운터 전극에 붙였으며, 이 썰린 필름은 2개의 전극 사이에 스페이서 역할을 한다. 전해질은 아세토니트릴 중 1-메틸-3-프로필이미다졸리움 이오다이드(0.6 M), I2(0.05 M), 리튬 이오다이드(0.1 M), 구아니디늄 티오시아네이트(0.05 M) 및 4-3차-부틸피리딘(0.5M)의 혼합 용액을 사용하였다. 이렇게 혼합된 전해질을 모세관력에 의하여 샌드위치 구조의 셀의 Pt 카운터 전극의 구멍을 통해 채웠고, 이러한 구멍은 썰린 필름 및 커버 글라스에 의하여 순차적으로 봉인하였다.
본 발명의 실시예를 위해서 구입이 용이한 TiO2 나노입자 페이스트를 사용하였으나, ZnO, SnO 등의 금속 나노입자도 같은 방법을 통해 3차원 광전극 제조용 나노입자로 사용이 가능하다. 또한 I-/I3 -이온을 전자 전달체로 사용한 용액을 전해질로 사용하였으나, 코발트, 페로센(ferrocene), Se, 및 폴리설파이드 등의 이온을 바탕으로 한 다른 액체 전해질과 고분자 전해질, 2,2',7,7'-테트라키스(N,N-p-디메톡시-페닐아미노)-9,9'-스피로비플루오렌 및 폴리티오펜 등을 이용한 고체 전해질 염료감응 태양전지에도 적용 가능하다. 마지막으로, N719염료를 염료로 사용하였으나, 통상적으로 사용되는 염료감응제인 무기 및 유기 염료 등을 이용한 염료감응 태양전지에도 적용 가능하다.
Claims (23)
- 무기물 나노입자를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극으로서, 상기 광전극의 표면에 3차원 구조의 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제1항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴은 규칙 형태인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제1항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴은 불규칙 형태인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제2항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴은 렌즈형, 원통형, 프리즘형, 피라미드형 또는 역피라미드형인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제3항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴은 피라미드형인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제1항에 있어서, 상기 무기물 나노입자는 TiO2, ZnO, SnO2, WO3, CdSe, CdS 및 GaAs로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제1항에 있어서, 상기 무기물 나노입자의 직경은 5~100 ㎚인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극.
- 제1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광전극은 그 위에 산란층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- (1) 3차원 구조의 패턴의 몰드를 제작하는 단계;
(2) 무기물 나노입자 페이스트를 전도성 기판 위에 코팅하는 단계;
(3) 상기 3차원 구조의 패턴의 몰드를 상기 코팅된 무기물 나노입자 페이스트 위에 임프린팅 하는 단계;
(4) 상기 3차원 구조의 패턴의 몰드-무기물 나노입자 페이스트를 20 ~ 100 ℃ 온도에서 어닐링 하여 3차원 구조의 나노입자층을 형성시키는 단계;
(5) 상기 3차원 구조의 패턴의 몰드를 상기 3차원 구조의 나노입자층으로부터 제거하는 단계; 및
(6) 상기 3차원 구조의 나노입자층을 약 200 ℃ 이상의 온도에서 처리하는 단계
를 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법. - 제9항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴은 규칙 형태인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴은 불규칙 형태인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴은 렌즈형, 원통형, 프리즘형, 피라미드형 또는 역피라미드형인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴은 피라미드형인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴이 렌즈형 또는 원통형인 경우에, 상기 3차원 구조의 패턴의 몰드는 노광 공정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제12항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴이 프리즘형, 피라미드형, 또는 역피라미드형인 경우에, 상기 3차원 구조의 패턴의 몰드는 마이크로 머시닝 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 3차원 구조의 패턴의 몰드는 습식 식각 공정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 무기물 나노입자 페이스트는 TiO2, ZnO, SnO2, WO3, CdSe, CdS 및 GaAs로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 무기물 나노입자의 직경은 5~100 ㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제9항에 있어서, (6) 단계 이후에 상기 광전극 위에 산란층을 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 산란층을 추가하는 단계는, 상기 3차원 구조의 나노입자층 위에 무기물 나노입자 페이스트를 코팅하는 단계; 및 상기 무기물 나노입자 페이스트가 코팅된 3차원 구조의 나노입자층을 고온에서 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조 방법.
- 제9항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조되는 염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지.
- 제21항에 따른 광전극을 포함하는 염료감응 태양전지.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130049643A KR101462072B1 (ko) | 2013-05-02 | 2013-05-02 | 염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극 및 이것의 제조방법 |
| US13/909,702 US20140326297A1 (en) | 2013-05-02 | 2013-06-04 | Three-dimensional electrode on dye-sensitized solar cell and method for manufacturing the same |
| US15/490,518 US20170271088A1 (en) | 2013-05-02 | 2017-04-18 | Three-dimensional electrode on dye-sensitized solar cell and method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130049643A KR101462072B1 (ko) | 2013-05-02 | 2013-05-02 | 염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극 및 이것의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140131432A KR20140131432A (ko) | 2014-11-13 |
| KR101462072B1 true KR101462072B1 (ko) | 2014-11-17 |
Family
ID=51840781
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130049643A KR101462072B1 (ko) | 2013-05-02 | 2013-05-02 | 염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극 및 이것의 제조방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US20140326297A1 (ko) |
| KR (1) | KR101462072B1 (ko) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101666378B1 (ko) * | 2015-01-13 | 2016-10-14 | 울산과학기술원 | ＧａＮ 기반 다공성 피라미드 광전극 및 그 제조방법 |
| WO2016125846A1 (ja) | 2015-02-04 | 2016-08-11 | 株式会社フジクラ | 光電変換素子 |
| KR102002472B1 (ko) * | 2017-11-22 | 2019-07-23 | 주식회사 오리온 | 염료감응형 태양전지 |
| KR102395027B1 (ko) * | 2017-11-24 | 2022-05-04 | 한국전기연구원 | 염료감응형 태양전지 |
| KR102485598B1 (ko) * | 2017-11-24 | 2023-01-05 | 한국전기연구원 | 태양전지모듈 |
| KR102542113B1 (ko) * | 2018-12-18 | 2023-06-09 | 한국전기연구원 | 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지모듈 |
| CN110534652B (zh) * | 2019-09-10 | 2021-04-02 | 西北工业大学 | 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050078856A (ko) * | 2004-02-03 | 2005-08-08 | 삼성에스디아이 주식회사 | 고효율 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 |
| KR20100003690A (ko) * | 2008-07-01 | 2010-01-11 | 에이테크솔루션(주) | 고투과도를 갖는 투명 전도성 산화물 전극의 제조 방법 |
| KR20100022859A (ko) * | 2008-08-20 | 2010-03-03 | 고려대학교 산학협력단 | 직접 ＺｎＯ 패터닝을 통한 고효율 태양전지 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 태양전지 |
| KR101253563B1 (ko) * | 2011-09-20 | 2013-04-11 | 서강대학교산학협력단 | 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4716701B2 (ja) * | 2004-09-30 | 2011-07-06 | 株式会社エンプラス | 色素増感太陽電池の光電極及び色素増感太陽電池、並びに有機太陽電池の光電極 |
| US8816191B2 (en) * | 2005-11-29 | 2014-08-26 | Banpil Photonics, Inc. | High efficiency photovoltaic cells and manufacturing thereof |
| TWI331809B (en) * | 2006-11-06 | 2010-10-11 | Taiwan Textile Res Inst | Solar cell and photo-electrochemical substrate thereof |
| KR100997843B1 (ko) * | 2008-08-29 | 2010-12-01 | 주식회사 솔켐 | 전기방사법에 의해 제조된 고분자 전해질을 포함한 염료감응형 태양전지 소자 및 이의 제조방법 |
| TWI384636B (zh) * | 2009-12-31 | 2013-02-01 | Nat Univ Tsing Hua | 以液態或凝膠態前驅物形成圖案化金屬氧化物層或圖案化金屬層之製作方法 |
| JP2012209243A (ja) * | 2011-03-17 | 2012-10-25 | Rohm Co Ltd | 色素増感太陽電池 |
-
2013
- 2013-05-02 KR KR1020130049643A patent/KR101462072B1/ko active IP Right Grant
- 2013-06-04 US US13/909,702 patent/US20140326297A1/en not_active Abandoned
-
2017
- 2017-04-18 US US15/490,518 patent/US20170271088A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050078856A (ko) * | 2004-02-03 | 2005-08-08 | 삼성에스디아이 주식회사 | 고효율 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 |
| KR20100003690A (ko) * | 2008-07-01 | 2010-01-11 | 에이테크솔루션(주) | 고투과도를 갖는 투명 전도성 산화물 전극의 제조 방법 |
| KR20100022859A (ko) * | 2008-08-20 | 2010-03-03 | 고려대학교 산학협력단 | 직접 ＺｎＯ 패터닝을 통한 고효율 태양전지 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 태양전지 |
| KR101253563B1 (ko) * | 2011-09-20 | 2013-04-11 | 서강대학교산학협력단 | 콜로이드 결정을 함유하는 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20140326297A1 (en) | 2014-11-06 |
| KR20140131432A (ko) | 2014-11-13 |
| US20170271088A1 (en) | 2017-09-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101462072B1 (ko) | 염료감응 태양전지용 3차원 구조의 광전극 및 이것의 제조방법 | |
| Wooh et al. | Efficient light harvesting with micropatterned 3D pyramidal photoanodes in dye-sensitized solar cells | |
| Kim et al. | Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light Harvesting of Dye‐Sensitized Solar Cells | |
| Bella et al. | Patterning dye-sensitized solar cell photoanodes through a polymeric approach: A perspective | |
| Xu et al. | High-efficiency solid-state dye-sensitized solar cells based on TiO2-coated ZnO nanowire arrays | |
| Fan et al. | Application of TiO2 fusiform nanorods for dye-sensitized solar cells with significantly improved efficiency | |
| Kim et al. | Laser-sintered mesoporous TiO 2 electrodes for dye-sensitized solar cells | |
| Kim et al. | Boosting light harvesting in perovskite solar cells by biomimetic inverted hemispherical architectured polymer layer with high haze factor as an antireflective layer | |
| US20090114278A1 (en) | Dye-sensitized solar cell and fabrication method thereof | |
| Zhang et al. | Supramolecular-templated thick mesoporous titania films for dye-sensitized solar cells: Effect of morphology on performance | |
| KR101177399B1 (ko) | 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 | |
| US9406447B2 (en) | Method for patterning mesoporous inorganic oxide film, and electric device including mesoporous inorganic oxide film patterned by the same | |
| JP6997705B2 (ja) | ペロブスカイト基盤の光電変換素子の再生方法 | |
| KR100945742B1 (ko) | 염료감응형 태양전지의 광전극 제조방법 | |
| Sajedi Alvar et al. | Enhancing the electron lifetime and diffusion coefficient in dye-sensitized solar cells by patterning the layer of TiO2 nanoparticles | |
| Buatong et al. | Quantum dot-sensitized solar cells having 3D-TiO 2 flower-like structures on the surface of titania nanorods with CuS counter electrode | |
| Solís-Cortés et al. | A solid-state integrated photo-supercapacitor based on ZnO nanorod arrays decorated with Ag 2 S quantum dots as the photoanode and a PEDOT charge storage counter-electrode | |
| US20130284257A1 (en) | Microlens array for solar cells | |
| TWI394309B (zh) | 染料敏化太陽能電池 | |
| Senthil et al. | Light conversion efficiency of flower like structure TiO 2 thin film solar cells | |
| Shivarudraiah et al. | Optically clear films of formamidinium lead bromide perovskite for wide-band-gap, solution-processed, semitransparent solar cells | |
| Jiang et al. | Enhanced photoelectric properties in dye-sensitized solar cells using TiO2 pyramid arrays | |
| US11049666B2 (en) | Fabrication of platinum counter electrodes for bifacial dye-sensitized solar cells | |
| Park et al. | Fabrication of hole-patterned TiO2 photoelectrodes for solid-state dye-sensitized solar cells | |
| KR101543258B1 (ko) | 불규칙한 나노구조 표면의 전극을 가지는 역상 폴리머 태양전지 및 그 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20171023 Year of fee payment: 4 |