KR101467991B1 - 광수확능력이 향상된 전고상 광 감응 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

광수확능력이 향상된 전고상 광 감응 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광수확능력이 향상된 전고상 광 감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 투명기판, 투명전극 및 반도체 산화물층이 순차적으로 적층되고, 상기 반도체 산화물층에 흡착된 광 감응제를 포함하는 광 전극부; 상대전극부; 및 상기 광 전극부 및 상기 상대전극부 사이에 구비되되, 상기 상대전극부와의 접합면에 패턴이 형성된 홀 전도체;를 포함하는 전고상 광 감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지는 패터닝된 홀 전도체를 포함함에 따라 광 수득률 향상 및 전해질과 전극의 접촉면적 증가로 인한 저항 감소로 인하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있으며, 종래의 전고상 광 감응형 태양전지보다 더욱 고 효율의 광 감응 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

광수확능력이 향상된 전고상 광 감응 태양전지 및 이의 제조방법{Solid state light-sensitized solar cell having improved light harvesting ability, and the preparation method thereof}
본 발명은 광수확능력이 향상된 전고상 광 감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 환경오염의 심각성 및 석유자원 고갈에 대한 위기감에 관한 인식 때문에 청정 대체 에너지에 관한 관심이 고조되고 있으며, 무한하고 친환경적인 태양전지를 통한 발전에 관한 연구와, 실용화에 많은 관심이 집중되고 있다.
이때, 상용화 단계까지 이른 대표적인 태양전지로는 실리콘 기반 태양전지가 있으며, 상기 실리콘 기반 태양전지는 다른 태양전지에 비해 우수한 효율을 나타내는 장점이 있다. 그러나 실리콘 기반 태양전지의 경우 원재료인 실리콘의 높은 가격과 같은 제한성이 문제가 되고 있으며, 이에 따라 제조된 태양전지의 단가가 높아 실용화에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 상기 실리콘 기반 태양전지와 같은 높은 단가의 태양전지로 인하여 많은 사람들은 제조단가가 저렴한 유기물 기반 태양전지에 많은 관심 및 연구를 수행하고 있으며, 그 중에서도 상대적으로 높은 효율을 확보한 광 감응 태양전지에 많은 연구가 수행되고 있다.
1991년 스위스의 마이클 그라첼 그룹에서 최초로 보고가 된 광 감응 태양전지는 기존의 실리콘 기반 태양전지가 반도체 접합을 통해 제조되었던 것과는 달리 광합성의 원리를 이용한 광 전기 화학적 태양전지로서, 비정질 실리콘 기반 태양전지와 비교하여 제조단가가 낮고, 비교적 높은 수준의 광전변환효율을 나타내기 때문에 학계 및 산업계에서 큰 이목을 끌고 있다.
이때, 상기 광 감응 태양전지는 광전극부, 상대전극부 및 상기 전극들 사이로 구비되는 전해질의 기본구성으로 이루어지며, 상기 광전극부는 투명 전극위에 나노입자형태의 반도체 산화물, 반도체 산화물의 표면에 화학적으로 흡착되어있는 광 감응제로 구성되고, 상기 상대전극부는 투명전극 위에 촉매층으로 구성될 수 있다.
상기 반도체 산화물에 흡착된 광 감응제로 태양빛이 흡수되면 광 감응제 내에서 전자-홀 쌍이 생성되며, 생성된 전자는 반도체 산화물로 전달된다. 전달된 전자는 회로를 통해 상대전극부로 전달되며 상대전극부 표면에서 산화/환원 전해질로 전달이 되며 최종적으로 광 감응제에서 생성된 홀로 전달이 됨으로써 광 감응 태양전지의 작동이 이루어진다.
한편, 일반적인 광 감응 태양전지의 경우 셀 내부에 액상의 전해액이 존재하기 때문에 전해액의 누액과 같은 문제가 발생할 수 있는바, 이로 인하여 태양전지의 신뢰성이 감소될 수 있다. 이러한 신뢰성 감소를 극복하기 위해 전해액을 고체상인 홀 전도체로 대체한 전고상 광 감응 태양전지, 즉 고체상인 홀 전도체를 전해액 대신 사용함에 따라 전해액 누액과 같은 문제를 해결한 기술이 개시된 바 있다. 그러나, 고체상인 홀 전도체를 사용한 광 감응 태양전지의 경우 현재까지 액상의 전해액을 이용한 경우에 비해 광전변환효율이 낮은 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 고효율 전고상 광 감응 태양전지를 제조하기 위한 연구를 수행하던 중, 전해액을 대체하여 사용된 홀 전도체를 패턴화하여 광수확률 증가 및 저항 감소를 통해 광전변환효율을 향상시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
특허문헌 1 : 일본등록특허 2012023023호 특허문헌 2 : 일본등록특허 2012023016호 특허문헌 3 : 대한민국등록특허 제100967090호 특허문헌 4 : 대한민국등록특허 제101006078호
비특허문헌 : Nature Material 2005, 4
본 발명의 목적은 광수확능력이 향상된 전고상 광 감응 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
빛을 투과시킬 수 있는 투명 기판, 생성된 전자가 이동할 수 있는 산화물 투명전극막, 전자를 전달하는 역할을 하는 반도체 산화물 및 광을 직접 흡수하여 전자를 생성하는 광 감응제를 포함하는 광 전극부;
회로를 이동한 전자가 되돌아오는 상대전극부; 및
상기 광 전극부 및 상기 상대전극부 사이에 패턴이 형성된 홀 전도체;를 포함하는 전고상 광 감응형 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은
투명 기판상에 산화물 투명 전극 및 반도체 산화물을 순차적으로 형성한후, 상기 반도체 산화물층에 광 감응제를 흡착시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 광 감응제가 흡착된 반도체 산화물층 상에 홀 전도체를 형성한 후, 상기 홀 전도체를 패터닝 하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 패터닝 된 홀 전도체 상에 상대전극을 형성시키는 단계(단계 3);를 포함하는 전고상 광 감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지는 패터닝된 홀 전도체를 포함함에 따라 광 수득률 향상 및 전해질과 전극의 접촉면적 증가로 인한 저항 감소로 인하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있으며, 종래의 전고상 광 감응형 태양전지보다 더욱 고 효율의 광 감응 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감응 태양전지를 나타낸 도면이고;
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감응 태양전지의 제조방법을 개략적으로 나타낸 그림이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은
투명기판, 투명전극 및 반도체 산화물층이 순차적으로 적층되고, 상기 반도체 산화물층에 흡착된 광 감응제를 포함하는 광 전극부;
상대전극부; 및
상기 광 전극부 및 상기 상대전극부 사이에 구비되되, 상기 상대전극부와의 접합면에 패턴이 형성된 홀 전도체;를 포함하는 전고상 광 감응형 태양전지를 제공한다. 이때, 본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지를 개략적으로 나타낸 그림을 도 1에 도시하였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지를 개략적으로 나타낸 그림으로서, 도 1의 그림을 참조하면 본 발명에 따른 광 감응 태양전지는 빛을 받아들여 전자를 생성시키는 광전극부와 회로를 이동한 전자가 되돌아오는 상대전극부를 포함하며, 상기 광전극부와 상대전극부 사이로 홀 전도체가 구비된다. 상기 광전극부는 빛을 투과시킬 수 있는 투명 기판, 생성된 전자의 이동을 위한 산화물 투명전극, 전자 전달 역할을 하는 반도체 산화물, 상기 반도체 산화물에 흡착되어 빛을 직접적으로 흡수하여 전자를 생성하는 광 감응제를 포함하며, 상기 상대전극부는 투명 기판, 산화물 투명전극 및 상대전극 층을 포함할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지는 전해질로서 고체상인 홀전도체를 포함하며, 상기 홀 전도체는 상기 상대전극부와의 접합면에 패턴이 형성된다. 상기 홀 전도체로 패턴이 형성됨에 따라 투과되는 빛의 산란을 감소시켜 홀 전도체에 패턴이 형성되지 않은 경우와 비교하여 광수확능력이 향상될 수 있으며, 나아가, 상대전극과의 접촉면적이 늘어나 저항이 감소함에 따라 광전변환효율이 향상될 수 있다.
홀 전도체에 형성된 상기 패턴들은 원, 타원, 삼각, 사각, 오각, 육각, 칠각 등 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 상기 패턴들은 상기한 바와 같은 특정한 형태가 아니더라도 불규칙적인 배열을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 패턴의 형태는 상기한 바와 같이 특정한 형태 또는 불규칙적인 배열을 가질 수 있는바, 그 형태가 특별히 제한되는 것은 아니며, 빛의 산란 감소 및 상대전극과의 접촉면적 증가를 야기할 수 있는 형태일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지에 있어서, 상기 홀 전도체로는 폴리사이오펜, 폴리-3,4-에틸렌디옥시사이오펜 및 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌을 사용할 수 있으나, 상기 홀 전도체가 이에 제한되는 것은 아니며, 광 감응 태양전지에서 홀 전도체로서의 역할을 수행할 수 있는 물질을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지에 있어서, 상기 투명기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리이미드(PI) 등의 고분자 또는 유리 기판을 사용할 수 있다. 이때, 상기 투명 기판은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 기판들을 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상기한 바와 같은 PET, PEN, PC, PI 등의 고분자 기판 또는 유리 기판을 사용할 수 있으나, 빛을 투과할 수 있는 투명한 기판이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지에 있어서, 상기 투명전극은 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 아연 옥사이드(AZO) 및 안티몬 틴 옥사이드(ATO)등의 산화물 투명전극일 수 있으며, 상기 투명전극은 상기 투명 기판상에 코팅되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지에 있어서, 상기 반도체 산화물층은 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등의 산화물로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라 이들의 산화물을 혼합하여 이루어질 수 있다. 상기 반도체 산화물층은 흡착된 광 감응제로부터 전자를 전달받을 수 있는 반도체 산화물들로서, 바람직하게는 산화티탄(TiO2)을 사용할 수 있으나, 상기 반도체 산화물이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 반도체 산화물들을 적절히 선택하여 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지에 있어서, 상기 반도체 산화물층에 흡착되는 상기 광 감응제는 빛을 받아 전자를 생성시킬 수 있는 물질들로서, 유기-금속 화합물 염료, 유기 염료, 고분자 염료, 반도체 나노 입자 등을 이용할 수 있다.
이때, 상기 유기-금속 화합물 염료로는 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), 루테늄 다이 4,4'-다이카복시-2,2'-바이피리딘다이사이오시아네이트 (Ru di 4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2 (N3) 등을 사용할 수 있고,
상기 유기 염료로는 5-카복시-2-[[3-[(2,3-다이하이드로-1,1-다이메틸-3-에틸-1하이드로-벤조인돌-2-이리딘메틸-2-하이드록시-4-옥소-2사이클로부텐-1-이리딘)메틸]-3,3-다이메틸]-1-옥틸-3하이드로-인돌리움 (5-carboxy-2-[[3-[(2,3-dihydro-1,1-dimethyl-3-ethyl-1H-benzo[e]indol-2-ylidene)methyl]-2-hydroxy-4-oxo-2-cyclobuten-1-ylidene]methyl]-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indolium) 등을 사용할 수 있으며, 상기 고분자 염료로는 폴리-2,2'-벤조-1,2,3-사이아디아졸-4,7-다일비스사이오펜-3-카복실산 2,2'-(Benzo[d][1,2,3]thiadiazole-4,7-diyl) bis(thiophene-3 -carboxylic acid) 등을 사용할 수 있고, 상기 반도체 나노입자로는 카드뮴 설파이드 (CdS), 안티몬 설파이드 (눈), 카파인듐틴셀레나이드 (CIGS) 등의 나노입자를 사용할 수 있다.
한편, 상기 광 감응제들은 1종 또는 2종 이상이 혼합되어 반도체 산화물층으로 흡착될 수 있으며, 반도체 산화물층에 흡착되어 빛을 받아 전자를 생성시킬 수 있다면 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지에 있어서, 상기 상대전극부는 홀전도체의 패턴과 접하여 패터닝된 접합면을 형성하게 된다. 즉, 홀 전도체의 패턴 상으로 형성되어 패터닝된 접합면을 형성하게 되며, 상기 패터닝된 접합면은 패턴이 없는 접합면과 비교하여 접촉면적이 증가됨에 따라 저항이 감소되는 효과가 있다.
이때, 상기 상대전극부는 투명 기판, 산화물 투명전극 및 상대전극 층을 포함하며, 상기 상대전극 층은 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등의 금속 또는 이들의 산화물을 1종 이상 포함할 수 있다. 그러나, 상기 상대전극 층이 상기 금속 또는 금속 산화물들로 제한되는 것은 아니며, 상대전극의 역할을 수행할 수 있는 물질들을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은
투명 기판상에 산화물 투명 전극 및 반도체 산화물을 순차적으로 형성한후, 상기 반도체 산화물층에 광 감응제를 흡착시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 광 감응제가 흡착된 반도체 산화물층 상에 홀 전도체를 형성한 후, 상기 홀 전도체를 패터닝 하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 패터닝 된 홀 전도체 상에 상대전극을 형성시키는 단계(단계 3);를 포함하는 전고상 광 감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 상기 제조방법을 도 2 내지 도 7을 통해 순서대로 도시하여 나타내었으며, 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전고상 광 감응 태양전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 투명 기판상에 산화물 투명 전극 및 반도체 산화물을 순차적으로 형성한 후, 상기 반도체 산화물층에 광 감응제를 흡착시키는 단계이다.
상기 단계 1은 본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지 중 광전극을 제조하는 단계로서, 투명 기판상에 산화물 투명 전극 및 반도체 산화물을 순차적으로 형성한후, 상기 반도체 산화물층에 광 감응제를 흡착시킴으로서 광전극을 제조한다.
이때, 상기 단계 1의 상기 투명기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리이미드(PI) 등의 고분자 또는 유리 기판을 사용할 수 있다. 이때, 상기 투명 기판은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 기판들을 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상기한 바와 같은 PET, PEN, PC, PI 등의 고분자 기판 또는 유리 기판을 사용할 수 있으나, 빛을 투과할 수 있는 투명한 기판이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 단계 1의 투명전극은 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 아연 옥사이드(AZO) 및 안티몬 틴 옥사이드(ATO) 등의 산화물 투명전극일 수 있으며, 상기 투명전극은 상기 투명 기판상에 진공 열 증착, 스퍼터링, 잉크젯 공정 등의 다양한 코팅 공정을 통해 상기 산화물들을 코팅하여 형성될 수 있다.
나아가, 상기 단계 1의 반도체 산화물층은 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등의 산화물을 이용하여 형성될 수 있으며, 경우에 따라 이들 산화물들을 혼합하여 형성될 수 있다. 상기 반도체 산화물층은 흡착된 광 감응제로부터 전자를 전달받을 수 있는 반도체 산화물들로서, 바람직하게는 산화티탄(TiO2)을 사용할 수 있으나, 상기 반도체 산화물이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 반도체 산화물들을 적절히 선택하여 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
아울러, 상기 반도체 산화물층은 일예로 반도체 산화물을 포함하는 페이스트를 제조한 후, 이를 닥터블레이딩, 스크린 프린팅과 같은 코팅공정을 통해 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 균질한 층을 형성할 수 있는 적절한 공정을 선택하여 반도체 산화물층을 형성시킬 수 있다.
상기 반도체 산화물층으로 흡착되는 광 감응제는 빛을 받아 전자를 생성시킬 수 있는 물질들로서, 상기 광 감응제로는 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), 루테늄 다이 4,4'-다이카복시-2,2'-바이피리딘다이사이오시아네이트 (Ru(4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine)2(NCS)2 (N3) 등의 유기-금속 화합물 염료, 5-카복시-2-[[3-[(2,3-다이하이드로-1,1-다이메틸-3-에틸-1하이드로-벤조인돌-2-이리딘메틸-2-하이드록시-4-옥소-2사이클로부텐-1-이리딘)메틸]-3,3-다이메틸]-1-옥틸-3하이드로-인돌리움 (5-carboxy-2-[[3-[(2,3-dihydro-1,1-dimethyl-3-ethyl-1H-benzo[e]indol-2-ylidene)methyl]-2-hydroxy-4-oxo-2-cyclobuten-1-ylidene]methyl]-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indolium) 등의 유기 염료, 폴리-2,2'-벤조-1,2,3-사이아디아졸-4,7-다일비스사이오펜-3-카복실산 2,2'-(Benzo[d][1,2,3]thiadiazole-4,7-diyl) bis(thiophene-3 -carboxylic acid) 등의 고분자 염료, 카드뮴 설파이드 (CdS), 안티몬 설파이드 (눈), 카파인듐틴셀레나이드 (CIGS) 등의 반도체 나노 입자를 이용할 수 있으며, 이들 광 감응제 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기 반도체 산화물층으로 광 감응제를 흡착시키는 것은 반도체 산화물층을 광 감응제가 분산된 용액에 침지시켜 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 반도체 산화물층으로 광 감응제를 균질하게 흡착시킬 수 있는 방법을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 광 감응제가 흡착된 반도체 산화물층 상에 홀 전도체를 형성한 후, 상기 홀 전도체를 패터닝 하는 단계이다.
단계 2는 상기 단계 1에서 광 감응제가 흡착된 반도체 산화물 층상에 고체 전해질로서 홀 전도체를 형성한 후 상기 홀 전도체를 패터닝 하는 단계이며, 상기 단계 2에서 홀 전도체의 형성 및 패터닝이 수행됨에 따라 패턴이 형성된 고체 전해질(홀 전도체)이 반도체 산화물층 상에 형성된다. 상기 단계 2에서 형성되는 패턴으로 인하여 전고상 광 감응형 태양전지로 도입되는 빛의 산란 감소 및 하기 단계 3에서 형성될 상대전극과의 접촉면적을 증가시킬 수 있어 궁극적으로 제조된 전고상 광 감응형 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
한편, 상기 단계 1의 홀 전도체로는 폴리사이오펜, 폴리-3,4-에틸렌디옥시사이오펜 및 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p메톡시페닐-아민)-9,9'-스피로플루오렌을 사용할 수 있으나, 상기 단계 2의 상기 홀 전도체가 이에 제한되는 것은 아니며, 광 감응 태양전지에서 홀 전도체로서의 역할을 수행할 수 있는 물질을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 2의 패터닝은 반도체 산화물층 상에 형성된 홀 전도체를 임프린트, 레이저 스크라이빙, 광조사형 패터닝 등의 패터닝 기술을 이용하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 임프린트 기술을 이용하여 수행될 수 있다.
나아가, 상기 단계 2에서 패터닝되는 패턴의 형태는 원, 타원, 삼각, 사각, 오각, 육각, 칠각 등 다양한 형태로 패터닝될 수 있으며, 상기 패턴들은 상기와 같은 특정한 형태가 아니더라도 불규칙적인 배열을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 패턴의 형태는 상기한 바와 같이 특정한 형태 또는 불규칙적인 배열을 가질 수 있는바, 그 형태가 특별히 제한되는 것은 아니며, 빛의 산란 감소 및 상대전극과의 접촉면적 증가를 야기할 수 있는 형태로 패터닝될 수 있다.
본 발명에 따른 전고상 광 감응형 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 패터닝 된 홀 전도체 상에 상대전극을 형성시키는 단계이다.
상기 단계 3에서 형성되는 상대전극은 실질적으로 투명 기판, 산화물 투명전극 및 상대전극 층을 포함하는 것으로, 상기 상대전극은 홀 전도체의 패턴과 상기 상대전극 층이 접하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 단계 3의 상대전극이 형성됨에 따라, 상대전극층과 홀 전도체의 패턴이 접하여 접합면을 형성하게 되며, 상기 접합면은 홀 전도체의 패턴과 동일한 패턴으로서 패턴이 형성되지 않았을 때와 비교하여 접촉면적이 증가되어 저항이 감소될 수 있으며, 패턴으로 인한 빛의 산란이 감소될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 상기 단계 3에서 형성되는 상대전극은 실질적으로 투명 기판, 산화물 투명전극 및 상대전극 층을 포함하는 것으로,
상기 투명기판으로는 단계 1의 투명기판과 동일하게 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리이미드(PI) 등의 고분자 또는 유리 기판을 사용할 수 있고,
상기 투명전극 역시 단계 1의 투명전극과 동일하게 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 아연 옥사이드(AZO) 및 안티몬 틴 옥사이드(ATO) 등의 산화물 투명전극일 수 있으며, 상기 투명 기판상에 스퍼터링 공정 등의 다양한 코팅 공정을 통해 상기 산화물들을 코팅하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 상대전극 층은 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등의 금속 또는 이들의 산화물을 1종 또는 2종 이상 포함하도록 형성될 수 있으며, 상기 물질들 외에도 상대전극의 역할을 수행할 수 있는 물질들을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
아울러, 상기 상대전극 층은 진공 열 증착, 스퍼터링, 잉크젯 등의 코팅공정을 적절히 선택하여 형성될 수 있으며, 상대전극 층을 균질하게 코팅할 수 있는 공정이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 상기 제조방법을 통해 제조된 전고상 광 감응 태양전지는 홀 전도체에 패턴이 형성되어 상대전극과의 접합면이 패턴 형태를 나타내며, 상기 패턴으로 인한 접촉면적 증가로 인한 저항 감소 효과가 있다. 아울러, 상기 패턴으로 인한 빛의 산란 감소로 인하여 광 수득률이 향상될 수 있어, 궁극적으로 패턴이 형성되지 않은 종래의 전고상 광 감응 태양전지와 비교하여 더욱 높은 광전변환효율을 나타낼 수 있다.
<실시예 1> 패턴이 형성된 홀 전도체를 포함하는 광감음 태양전지의 제조
단계 1 : 유리 기판상에 FTO 투명 전극 및 산화티탄(TiO2)인 반도체 산화물을 순차적으로 코팅한 후, 상기 반도체 산화물층에 광 감응제인 N719을 흡착시켰다.
단계 2 : 상기 단계 1에서 광 감응제가 흡착된 반도체 산화물층 상에 홀 전도체인 P3HT를 코팅한 후, 상기 홀 전도체를 삼각의 요철 형태로 패터닝 하였다.
단계 3 : 상기 단계 2에서 패터닝 된 홀 전도체 상에 상대전극을 형성시켰다.
< 비교예 1> 패턴이 형성되지 않은 홀 전도체의 제조
상기 실시예 1의 단계 2에 있어서, 홀 전도체에 패터닝을 형성시키지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광 감응 태양전지를 제조하였다.

Claims (16)

  1. 유리기판, 플루오린 틴 옥사이드(FTO) 전극 및 산화티탄(TiO2)층이 순차적으로 적층되고, 상기 산화티탄층에 흡착된 N719를 포함하는 광 전극부;
    상대전극부; 및
    상기 광 전극부 및 상기 상대전극부 사이에 구비되되, 상기 상대전극부와의 접합면에 삼각 요철 형태의 패턴이 형성된 P3HT(Poly-3-hexylthiophene) 층;를 포함하는 전고상 광 감응형 태양전지.
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  8. 제 1항에 있어서,
    상기 상대전극은 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W) 및 지르코늄(Zr) 으로 이루어진 산화물 중 선택되는 1종 이상의 전도성 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상 광 감응형 태양전지.
  9. 유리 기판상에 플루오린 틴 옥사이드(FTO) 전극 및 산화티탄(TiO2)층을 순차적으로 형성한후, 상기 산화티탄층에 N719를 흡착시키는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 N719가 흡착된 산화티탄층 상에 P3HT(Poly-3-hexylthiophene)를 형성한 후, 상기 P3HT(Poly-3-hexylthiophene)를 삼각 요철 형태로 패터닝 하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 삼각 요철 형태로 패터닝 된 P3HT(Poly-3-hexylthiophene) 상에 상대전극을 형성시키는 단계(단계 3);를 포함하는 전고상 광 감응형 태양전지의 제조방법.
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  16. 제 9항에 있어서,
    상기 단계 3의 상대전극은 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W) 및 지르코늄(Zr) 으로 이루어진 산화물 중 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고상 광 감응형 태양전지의 제조방법.
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