KR101507300B1 - 태양전지-전기변색부 일체형 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
태양전지-전기변색부 일체형 소자 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 태양전지와 전기변색기능을 동시에 갖는 염료감응 태양전지-전기변색소자 일체형 스마트 윈도우 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지기능과 전기변색기능을 동시에 갖는 태양전지-전기변색부 일체형 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
전기변색부는 전장을 가하면 전류의 흐름에 의해 색상이 변하는 소자로서, 전기화학적 산화/환원 반응시 수반되는 전자 이동에 의해 자외선, 가시광선 또는 근적외선 영역에서의 에너지 흡수 변화에 따라 색상이 변할 수 있어, 스마트 윈도우, 거울, 디스플레이 등으로 많이 응용되고 있다. 도 1은 전기변색부의 일반적인 구조를 나타낸 것이다.
한편, 염료감응 태양전지는 외부광에 의해 염료를 환원시켜 전자를 여기시키고, 여기된 전자는 금속 산화물 전도띠를 따라 투명전극으로 이동하며, 이 전자는 외부 회로를 따라 촉매층으로 이동하고 전해질 내에 존재하는 산화환원 커플에 의해 이동되어 산화된 염료를 재생시키는 원리로 작동된다. 즉, 염료감응 태양전지는 외부광에 의해 기전력을 발생시키는 광전변환장치이다. 도 2는 염료감응 태양전지의 일반적인 구조를 나타낸 것이다.
이러한 전기변색부와 염료감응 태양전지는 서로 유사한 구조를 지닌 전기화학적 소자에 해당한다. 따라서, 이러한 두 가지 기능을 하나의 소자에 구현하기 위한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 염료감응 태양전지에 의해 구동되는 전기변색소자에 관한 한국 등록특허(KR10-2006-0581966)에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 유리 기판의 양면에 모두 투명전극을 형성하고, 이렇게 형성된 유리 기판의 한쪽 면에는 염료감응 태양전지를 구현하며 반대면에는 전기변색부를 구현하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이와 같이 제조할 경우, 소자가 다층으로 형성되므로 제조 공정이 길어지고 소자의 두께가 두꺼워지며, 무게가 증가하는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제조가 용이하면서도 두께가 얇고 무게가 가벼운 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는, 상부 기판, 하부 기판, 및 상기 상부 기판 및 하부 기판 사이에 존재하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자로서, 상기 상부 기판이 제 1 투명전극 및 제 1 투명전극 상에 패턴화된 염료흡착층을 포함하고, 상기 하부 기판이 패턴화된 제 2 투명전극 및 상기 패턴화된 제 2 투명전극 상에 촉매층 및 전기변색층을 포함하며, 상기 염료흡착층과 상기 촉매층이 전해질을 사이에 두고 서로 대향되도록 배치되는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 염료흡착층은 염료 흡착된 금속 산화물 나노구조체를 포함하며, 상기 금속 산화물이 TiO2, ZnO2, WO3, Nb2O5, Al2O3 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다,
본 발명의 일 구현예에서, 금속 산화물 나노구조체는 TiO2 나노와이어일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 염료는 루테늄 착물, 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전기변색층은 WO3, NiOxHy(여기서, x 및 y는 0 이상의 정수에 해당함), Nb2O5, TiO2, MoO3 등의 무기물, 비올로겐, 페노티아진 등의 유기화합물, 폴리아닐린 등의 환원착색 고분자 물질 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는, 나노구조체로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 나노구조체는 TiO2 나노와이어일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 촉매는 백금, 탄소, 그래파이트, 카본 나노튜브, 카본블랙 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전해질은 액체 전해질, 이온성 액체 전해질, 이온성 젤 전해질, 고분자 전해질 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구현예는, 상부 기판에 형성된 제 1 투명전극 상에 패턴화된 염료흡착층을 형성하는 단계 (A), 하부 기판에 패턴화된 제 2 투명전극을 형성한 후에 상기 패턴화된 제 2 투명전극 상에 전기변색층 및 촉매층을 각각 형성하는 단계 (B), 및 상기 하부 기판 및 상부 기판 사이를 전해질로 채우는 단계 (C)를 포함하며, 상기 염료흡착층 및 상기 촉매층이 전해질을 사이에 두고 서로 대향되도록 배치되는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 단계 (A)는 제 1 투명전극 상에 패턴화된 금속 산화물 나노구조체를 형성한 후에 상기 금속 산화물 나노구조체에 염료를 흡착시키는 단계 (A1)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 단계 (B)는 전기변색층으로서, WO3, NiOxHy, Nb2O5, TiO2, MoO3 등의 무기물, 비올로겐, 페노티아진 등의 유기화합물, 폴리아닐린 등의 환원착색 고분자 물질 또는 이들의 조합물로 이루어진 나노구조체를 형성하는 단계 (B1)을 포함할 수 있다.
본 발명의 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자는 종래기술에 비하여 스마트 윈도우에 적합한 소자를 구현할 수 있다. 보다 상세하게는, 본 발명은 하나의 단위 소자 내에서 단층으로 형성되는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자를 제공할 수 있기 때문에, 기존의 소자에 비하여 제조가 용이하고, 보다 얇은 두께를 지니며, 무게가 가벼운 소자를 구현할 수 있다.
도1은 전기변색부의 일반적인 구조를 나타내는 개략도이다.
도2는 염료감응 태양전지의 일반적인 구조를 나타내는 개략도이다.
도3은 종래기술에 따른 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 구조를 나타내는 개략도이다.
도4는 본 발명의 실시예1에 따른 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 구조를 나타내는 개략도이다.
도5는 본 발명의 실시예1에 따른 상부 기판과 하부 기판의 구조 및 이들 간의 전기적 연결회로를 나타내는 개략도이다.
도6은 본 발명의 실시예2에 따른 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 구조를 나타내는 개략도이다.
도7은 실시예2에 따른 상부 기판 상의 TiO2 나노와이어(좌) 및 하부 기판 상의 TiO2나노와이어/ WO3 코어/쉘(core/shell)구조(우)에 대한 주사전자현미경(SEM) 영상이다.
도2는 염료감응 태양전지의 일반적인 구조를 나타내는 개략도이다.
도3은 종래기술에 따른 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 구조를 나타내는 개략도이다.
도4는 본 발명의 실시예1에 따른 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 구조를 나타내는 개략도이다.
도5는 본 발명의 실시예1에 따른 상부 기판과 하부 기판의 구조 및 이들 간의 전기적 연결회로를 나타내는 개략도이다.
도6은 본 발명의 실시예2에 따른 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 구조를 나타내는 개략도이다.
도7은 실시예2에 따른 상부 기판 상의 TiO2 나노와이어(좌) 및 하부 기판 상의 TiO2나노와이어/ WO3 코어/쉘(core/shell)구조(우)에 대한 주사전자현미경(SEM) 영상이다.
이하, 본 발명의 구현예로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 구현예는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 기재 및 그로부터 해석되는 균등 범주 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능하다.
본 발명은 상부 기판, 하부 기판, 및 상기 상부 기판 및 하부 기판 사이에 존재하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자로서, 상기 상부 기판은 제 1 투명전극 및 제 1 투명전극 상에 패턴화된 염료흡착층을 포함하고, 상기 하부 기판은 패턴화된 제 2 투명전극 및 상기 패턴화된 제 2 투명전극 상에 촉매층 및 전기변색층을 포함하며, 상기 염료흡착층과 상기 촉매층이 전해질을 사이에 두고 서로 대향되도록 배치되는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 상부 기판 및 하부 기판은 각각 제 1 투명전극 및 제 2 투명전극을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 상기 제 1 투명전극 및 제 2 투명전극으로는 주로 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 상기 투명전극은 패턴화될 수 있는데, 이러한 패턴화 기술로서 포토리소그래피 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 염료흡착층은 상부 기판의 제 1 투명전극 상에 배치될 수 있으며, 상기 염료흡착층은 일정 크기 및 일정 간격으로 패턴화될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 염료흡착층은 염료 흡착된 금속 산화물 나노구조체를 포함할 수 있다. 이러한 금속 산화물 나노구조체는 일반적으로 단파장의 에너지 밴드갭을 가진 나노입자 다공막으로 이루어진다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 금속 산화물은 TiO2, ZnO2, WO3, Nb2O5, Al2O3 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 본 발명에 따른 상기 나노구조체는 나노로드, 나노와이어 또는 나노플라워 등의 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 금속 산화물 나노구조체는 바람직하게는 나노와이어일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 TiO2 나노와이어일 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따른 TiO2 나노와이어를 염료흡착층으로 도입함으로써, 염료가 흡착되는 표면적이 넓어져 염료감응 태양전지성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 염료흡착층에 흡착되는 염료는 태양광을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 역할을 수행하며, 이 때 주로 사용되는 염료는 루테늄 착물, 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 흡착이 용이하며 가시광흡수도가 높은 루테늄 착물이 염료로 사용될 수 있다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등이 사용될 수 있으며, 여기서 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 등을 나타낸다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 전기변색층 및 촉매층은 하부 기판의 패턴화된 제 2 투명전극 상에 각각 형성될 수 있으며, 이때, 상기 전기변색층 및 촉매층은 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 전착법(electrodeposition) 또는 금속 마스크를 이용한 진공층착법 등에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 전기변색층에서는 환원반응이 일어날 때 착색되고 산화 반응이 일어날 때 탈색되면서 전기적 변색이 발생하며, 상기 전기변색층은 WO3, NiOxHy(여기서, x 및 y는 0 이상의 정수에 해당함), Nb2O5, TiO2, MoO3 등의 무기물, 비올로겐, 페노티아진 등의 유기화합물, 폴리아닐린 등의 환원착색 고분자 물질 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 전기변색층은 나노구조체로 형성될 수 있다. 상기 나노구조체는 바람직하게는 TiO2 나노와이어일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 나노구조체는 코어-셀 구조일 수 있으며, 이러한 코어-쉘 구조는 나노구조체, 특히 TiO2 나노와이어 상에 WO3 박막을 코팅함으로써 형성될 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따른 TiO2 나노와이어를 전기변색층에 도입함으로써, 전기변색부에서 전기변색을 위한 Li 이온의 통로가 확보되고, WO3의 코팅 표면적이 넓어져 투과율 변화율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 촉매층은 태양전지의 산화환원반응을 촉진시키는 역할을 수행하며, 이러한 촉매층을 이루는 촉매는 백금, 탄소, 그래파이트, 카본 나노튜브, 카본블랙 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 바람직하게는, 백금 촉매가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 전해질은 전기변색층 및 염료흡착층과 접촉하여 전기적 화학 반응을 가능하게 하고, 액체 전해질, 이온성 액체 전해질, 이온성 젤 전해질, 고분자 전해질 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 본 발명의 전해질은 전기화학적으로 비활성인 염을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 비활성 염의 예는 요오드를 녹인 아세토나이트릴 용액과 같은 염료감응 태양전지용 전해질에 전기변색 효과를 위한 Li이온이 포함된 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 리튬 아이오다이드(LiI), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 트리플루오로아세테이트(CF3COOLi) 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자에 있어서, 상기 염료흡착층과 상기 촉매층은 전해질을 사이에 두고 서로 대향되도록 배치될 수 있다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 하나의 단위 소자 내에서 상부 기판의 염료흡착층과 하부 기판의 촉매층이 동일한 전해질을 공유하면서 각각의 패턴이 일치하여 서로 마주보도록 위치함을 의미한다.
본 발명은 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 제조 방법으로서, 상부 기판에 형성된 제 1 투명전극 상에 패턴화된 염료흡착층을 형성하는 단계 (A), 하부 기판에 패턴화된 제 2 투명전극을 형성한 후에 상기 패턴화된 제 2 투명전극 상에 전기변색층 및 촉매층을 각각 형성하는 단계 (B), 및 상기 하부 기판 및 상부 기판 사이를 전해질로 채우는 단계 (C)를 포함한다.
여기서, 상기 염료흡착층 및 상기 촉매층은 전해질을 사이에 두고 서로 대향되도록 배치된다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명은 상부 기판에 형성된 제 1 투명전극 상에 패턴화된 염료흡착층을 형성하는 단계 (A)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 단계 (A)는 제 1 투명전극 상에 패턴화된 금속 산화물 나노구조체를 형성한 후에, 상기 금속 산화물 나노구조체에 염료를 흡착시키는 단계 (A1)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속 산화물은 일정 온도에서 소성함으로써 제 1 투명전극 상에 형성될 수 있는데, 이때 온도는 400℃ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 단계 (A1)에 있어서, 상기 금속 산화물 나노구조체는, 금속 산화물 나노구조체가 형성될 부분만을 오픈되도록 포토레지스트를 이용하여 제 1 투명전극 상에 패턴을 형성하고, 그 패턴 위에 일반적인 수혈합성법을 이용하여 수직으로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상기 단계 (A1)은 염료를 흡착시킨 이후에 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 금속 산화물 나노구조체는 바람직하게는 TiO2 나노와이어일 수 있으며, 상기 TiO2는 아나타제형일 수 있다.
본 발명에 따른 단계 (B)에 있어서, 전기변색층 및 촉매층의 형성은 스크린 프린팅, 전착법, 또는 금속 마스크를 이용한 진공증착법 등에 의해 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 하부 기판의 제 2 투명전극을 사진식각법 등을 이용하여 패터닝한 한 다음에, 상기 패터닝된 투명전극의 제 1 측에는 전기변색층을, 제 2 측에는 촉매층을 상기 방법 중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 촉매층이 상부 기판의 염료흡착층과 서로 대향이 되도록 형성되는 것이 중요하다. 상기 촉매층을 구성하는 촉매로는 백금이 주로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 단계 (B)는 전기변색층으로서 WO3, NiOxHy, Nb2O5, TiO2, MoO3 등의 무기물, 비올로겐, 페노티아진 등의 유기화합물, 폴리아닐린 등의 환원착색 고분자 물질 또는 이들의 조합으로 이루어진 나노구조체를 형성하는 단계 (B1)을 포함할 수 있다. 이러한 나노구조체는, 상기 나노구조체가 형성될 부분만을 오픈되도록 포토레지스트를 이용하여 제 2 투명전극 상에 패턴을 형성하고, 그 패턴 위에 일반적인 수혈합성법을 이용하여 수직으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 단계 (B1)은 상기 나노구조체를 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 코팅은 주로 나노구조체 상에 WO3 박막을 형성함으로써 이루어질 수 있으며, 이를 통해 코어/쉘 구조의 전기변색층이 형성될 수 있다. 상기 나노구조체는 바람직하게는 TiO2 나노와이어일 수 있다.
본 발명의 따른 단계 (C)의 전해질은 상판 또는 하판에 미리 형성된 전해질 주입구를 통해 채워질 수 있으며, 전기변색층 및 염료흡착층과 접촉하여 전기적 화학 반응을 가능하게 한다. 상기 전해질은 액체 전해질, 이온성 액체 전해질, 이온성 젤 전해질, 고분자 전해질 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자는, 염료감응 태양전지 및 전기변색부에 대해 각각의 전해질을 포함하는 도 3에 나타낸 다층 구조의 소자와는 달리, 하나의 단위 소자 내에서 염료감응 태양전지 및 전기변색부가 동일한 전해질을 공유할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 기존의 일체형 소자보다 얇은 두께를 지닌 태양전지-전기변색부 일체형 소자를 제공할 수 있다. 같은 이유로, 본 발명은 기존의 일체형 소자보다 무게가 가벼운 태양전지-전기변색부 일체형 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 상기 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자를 포함하는 스마트 윈도우 장치를 제공할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면에 대한 설명과 함께 보다 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.
실시예
1
상부 기판 제조
도 4 및 5에 나타낸 바와 같이, 유리 기판 상에 형성된 투명전극 상에 스크린 프린팅을 이용하여 TiO2 페이스트의 패턴을 형성한 후 400℃ 이상에서 소성하여 TiO2 (아나타제형) 광전극을 형성하였다. 형성된 TiO2 광전극 상에 염료를 흡착시킨 후 건조하여 염료흡착층을 형성하였다. 상기 염료로는 아세토나이트릴에 녹인 0.5mM의 N719(Solaronix사 제조) 용액을 사용하였다.
하부 기판 제조
도 4 및 5에 나타낸 바와 같이, 투명전극을 사진식각법(photolithography)을 이용하여 패터닝하였다. 패터닝된 상기 투명전극 상의 제 1 측에 상부층의 염료흡착층(TiO2)과 대향되도록 Pt촉매층을 형성하였다. 또한, 상기 투명전극 상의 제 2 측에는 WO3의 전기변색층을 형성하였다.
상/하부 기판의 합착
도 5에 나타낸 바와 같이, 봉지재 형성 라인상에 약 60㎛두께의 열가소성 고분자필름(듀퐁사의 surlyn을 사용)을 두고 100℃에서 10초 정도 압착시켜 상부층 및 하부층을 합착하였다.
전해질 주입
상판 또는 하판에 미리 형성된 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입하였다. 상기 전해질로는 0.025M의 I2 및 0.7M의 LiI이 포함된 아세토나이트릴 용액을 사용하였다.
상/하부 기판의 전기적 연결
마지막으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상부 기판과 하부 기판을 배선 및 스위치를 이용하여 연결함으로써 실시예 1에 따른 태양전지-전기변색부 일체형 소자를 제조하였다.
실시예
2
상부 기판 제조
도 6 및 7에 나타낸 바와 같이, 투명전극 상에 포토레지스트를 이용하여 TiO2 나노와이어가 형성될 부분만 오픈되도록 패턴을 형성한 후, 일반적인 수열합성법을 이용하여 투명전극 상에 수직으로 성장시킨 TiO2 나노와이어를 제조하였다. 형성된 TiO2 나노와이어 상에 염료를 흡착시킨 후 건조하여 염료흡착층을 형성하였다. 상기 나노와이어 광전극으로는 TiO2 반도체 산화물을 사용하였다. 또한, 상기 염료로는 아세토나이트릴에 녹인 0.5mM의 N719(Solaronix사 제조) 용액을 사용하였다.
하부 기판 제조
도 6 및 7에 나타낸 바와 같이, 투명전극을 사진식각법(photolithography)에 의한 패터닝작업을 실시한 후, 염료흡착 TiO2층과 대향되도록, 패터닝된 상기 투명전극 상의 제 1 측에 Pt촉매층을 형성하였다. 제 2 측에는 실시예 2의 상부 기판에 형성한 TiO2 나노와이어 제조와 동일한 방법으로 TiO2 나노와이어를 형성하였다. 형성된 TiO2 나노와이어 상에 WO3박막을 코팅하여 코어/쉘 구조의 전기변색층을 형성하였다.
상/하부 기판의 합착
상기 실시예 1에서 개시한 것과 동일한 합착 방식을 이용하여 상부 기판 및 하부 기판을 합착하였다.
전해질 주입
상기 실시예 1에서 개시한 것과 동일한 전해질 주입 방식을 이용하여 전해질을 주입하였다. 상기 전해질로는 0.025M의 I2 및 0.7M의 LiI이 포함된 아세토나이트릴 용액을 사용하였다.
상/하부 기판의 전기적 연결
상기 실시예 1에서 개시한 것과 동일한 일체형 소자 제조 방식으로 실시예 2에 따른 태양전지-전기변색부 일체형 소자를 제조하였다.
실시예
1 및 2에 따른 일체형 소자의 평가
두께 및 무게
상기 실시예 1 및 2에 따라 제조된 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 두께는, 측정되는 소자의 각 부분마다 차이는 있었지만, 도 3의 소자에 비해 평균적으로 약 0.5mm 내지 약 2mm 정도 얇았으며, 무게 역시 평균적으로 약 15g 내지 약 50g (10cm X 10cm 기판 기준) 정도 가벼워졌음을 확인할 수 있었다.
성능평가
하기의 표 1은 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 일체형 소자에 대한 100 mW/cm2 세기의 AM1.5G표준광 하에서의 성능평가 결과를 나타낸다. 전기변색 상태가 탈색 및 변색일 경우의 단락전류(JSC), 개방전압(VOC), 충진 계수(FF) 및 전력변환효율(PCE) 각각의 수치를 측정함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 일체형 소자의 태양전지성능을 평가하였다. 대표적으로, 전력변환효율 값을 살펴보면, 실시예 1에서는 변색 시에 4.85%, 탈색 시에 3.92%의 전력변환효율을 나타냈으며, 실시예 2에서는 변색 시에 5.14%, 탈색 시에 4.40%의 전력변환효율을 나타냈다. 또한, 전기변색 상태가 탈색 및 변색일 경우의 소자 투과율을 측정함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 일체형 소자의 전기변색성능을 평가하였다. 실시예 1에서의 투과율변화율 값은 2였지만, 실시예 2에서의 투과율변화율 값은 2.7을 나타냈다. 이처럼 표준광 조사 하에서, 전기변색부의 상태를 변경하면서 여러 특성 수치들을 측정한 결과, 태양전지성능은 약간의 저하가 있었지만, 전기변색성능의 향상으로 인해 일체형 소자의 투과율이 조절되는 효과를 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 2에 따른 TiO2 나노구조체의 도입으로 인해, 태양전지성능 및 전기변색성능이 향상되는 효과를 확인할 수 있다. 이러한 효과는 TiO2 나노구조체가 도입됨에 따라, 태양전지구조에서는 염료가 코팅되는 표면적이 향상되고, 전기변색부에서는 전기변색을 위한 Li이온의 통로가 확보되며 WO3코팅의 표면적이 향상되기 때문이다.
이상에서 첨부된 실시 예를 참조하여 본 발명의 효과에 대해 설명하였으나 본 발명의 기술적 구성은 상기에 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능하므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 또한 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (11)
- 상부 기판, 하부 기판, 및 상기 상부 기판과 하부 기판 사이에 존재하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자로서,
상기 상부 기판이 제 1 투명전극 및 제 1 투명전극 상에 패턴화된 염료흡착층을 포함하고,
상기 하부 기판이 패턴화된 제 2 투명전극 및 상기 패턴화된 제 2 투명전극 상의 제 1측에 형성된 촉매층 및 제 1측으로부터 이격된 제 2측에 형성된 전기변색층을 포함하며,
상기 염료흡착층이 전해질을 사이에 두고 전기변색층이 아닌 촉매층과 서로 대향되도록 배치되고, 상기 전기변색층이 코어-쉘 구조의 나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 염료흡착층이 염료 흡착된 금속 산화물 나노구조체를 포함하며,
상기 금속 산화물이 TiO2, ZnO2, WO3, Nb2O5, Al2O3 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자. - 제 2항에 있어서,
상기 금속 산화물 나노구조체가 TiO2 나노와이어인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자. - 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 염료가 루테늄 착물, 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신 및 에리스로신을 포함하는 크산틴계 색소; 퀴노시아닌 및 크립토시아닌을 포함하는 시아닌계 색소; 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신 및 메틸렌블루를 포함하는 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린 및 마그네슘 포르피린을 포함하는 포르피린계 화합물; 아조 색소; 프탈로시아닌 화합물; Ru 트리스비피리딜을 포함하는 착화합물; 안트라퀴논계 색소; 다환 퀴논계 색소; 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어-쉘 구조의 나노구조체 중의 쉘 부분이 WO3, NiOxHy, Nb2O5 및 MoO3를 포함하는 무기물; 비올로겐 및 페노티아진을 포함하는 유기화합물; 폴리아닐린을 포함하는 환원착색 고분자 물질; 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자. - 제 5항에 있어서,
상기 코어-쉘 구조의 나노구조체가 WO3 코팅된 TiO2 나노와이어인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매가 백금, 탄소, 그래파이트, 카본 나노튜브, 카본블랙 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해질이 액체 전해질, 이온성 액체 전해질, 이온성 젤 전해질, 고분자 전해질 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자. - 상부 기판에 형성된 제 1 투명전극 상에 패턴화된 염료흡착층을 형성하는 단계 (A);
하부 기판에 패턴화된 제 2 투명전극을 형성한 후에 상기 패턴화된 제 2 투명전극 상의 제 1측에 전기변색층 및 제 1측으로부터 이격된 제 2측에 촉매층을 각각 형성하는 단계 (B); 및
상기 하부 기판 및 상부 기판 사이를 전해질로 채우는 단계 (C)를 포함하며, 상기 염료흡착층이 전해질을 사이에 두고 전기변색층이 아닌 촉매층과 서로 대향되도록 배치되고, 상기 전기변색층이 코어-쉘 구조의 나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 염료감응 태양전지-전기변색부 일체형 소자의 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 단계 (A)가 제 1 투명전극 상에 패턴화된 금속 산화물 나노구조체를 형성한 후에 상기 금속 산화물 나노구조체에 염료를 흡착시키는 단계 (A1)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 코어-쉘 구조의 나노구조체 중의 쉘 부분이 WO3, NiOxHy, Nb2O5 및 MoO3를 포함하는 무기물; 비올로겐 및 페노티아진을 포함하는 유기화합물; 폴리아닐린을 포함하는 환원착색 고분자 물질; 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
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