KR101538640B1 - 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 이산화티탄 나노튜브층을 사용하여 전자의 이동을 향상시킬 수 있으며, 나노입자의 다공질층에 많은 염료를 흡착하게 하여 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 의하면, 전도성 투명 전극 상에 형성된 제1 이산화티탄 나노입자층, 염료가 흡착된 제2 이산화티탄 나노입자층 및 상기 제1 이산화티탄 나노입자층과 상기 제2 이산화티탄 나노입자층 사이에 개재된 이산화티탄 나노튜브층의 구조를 포함함으로써, 염료에서 주입된 전자가 제1 이산화티탄 나노입자층을 거쳐 전도성이 높은 이산화티탄 나노튜브층으로 이동되어 광전자 전달속도를 향상시키고, 나노입자의 다공질층에 많은 염료가 흡착되어 광전환 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 의하면, 전도성 투명 전극 상에 형성된 제1 이산화티탄 나노입자층, 염료가 흡착된 제2 이산화티탄 나노입자층 및 상기 제1 이산화티탄 나노입자층과 상기 제2 이산화티탄 나노입자층 사이에 개재된 이산화티탄 나노튜브층의 구조를 포함함으로써, 염료에서 주입된 전자가 제1 이산화티탄 나노입자층을 거쳐 전도성이 높은 이산화티탄 나노튜브층으로 이동되어 광전자 전달속도를 향상시키고, 나노입자의 다공질층에 많은 염료가 흡착되어 광전환 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 이산화티탄 나노튜브층을 사용하여 전자의 이동을 향상시킬 수 있으며, 나노입자의 다공질층에 많은 염료를 흡착하게 하여 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 및 지구온난화 문제가 대두되면서 태양에너지는 가장 유력한 신재생 에너지원으로 여겨지고 있다. 태양에너지를 이용하는 방법은 크게 태양열과 태양광으로 나눌 수 있고, 태양광을 이용하는 방법은 직접 전기를 만드는 태양전지와 수소 및 메탄 등과 같은 화학 에너지를 생산하는 기술로 대별된다.
태양전지는 상당한 기술적 진보를 이루어, 실리콘 태양전지, 화합물 기반 태양전지, 유기기반 태양전지 개발에 이르도록 활발하게 진행되고 있다.
염료감응 태양전지는 유기기반 태양전지로서 기존의 실리콘 태양전지와 비교하여 생산원가가 저렴하고, 흐린 날씨에서도 작동될 수 있으며, 또한 빛의 조사각도가 작아도(약 10도) 전기생산이 가능하다는 다양한 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 투명하게 제작할 수 있어 2~3장을 겹치는 적층형 구조의 제작이 가능하여 동일 면적대비 효율을 증대시킬 수 있는 특징이 있다. 이러한 염료감응 태양전지는 응용성이 매우 다양하여 빌딩의 창문 및 지붕에 적용하는 건물일체형 태양전지(BIPV), IT 제품의 휴대용 자가 발전기, 군사용 등으로 사용될 수 있다.
일반적으로, 염료감응 태양전지는 태양광 흡수용 염료, n형 반도체 역할을 하는 광전극, p형 반도체 역할을 하는 전해질, 촉매역할의 상대전극, 그리고 투명전극으로 구성되어 있다. 기존의 박막형 태양전지는 태양광의 흡수 과정과 전자-정공쌍의 발생 및 이동 과정이 동시에 일어나는 반면에 염료감응형 태양전지는 태양광의 흡수는 광전극에 흡착된 염료가 담당하고, 생성된 전자-정공쌍의 전자 농도차에 의해 확산하는 방식이다. 보다 자세하게는, 염료는 태양광 흡수에 의해 여기 상태가 되어 전자를 생성하고, 이 전자는 광전극으로 이동하여 투명전극을 통해 외부회로로 흘러 전기에너지를 발생시킨다. 태양광 흡수에 의해 산화된 염료는 전해질로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 환원된다.
염료감응 태양전지의 상용화를 위해서는 현재 광전환 효율을 획기적으로 높일 수 있는 기술개발이 요구된다. 이를 위해 염료감응 태양전지의 핵심소재(반도체 금속산화물, 염료, 전해질, 상대전극) 개발 및 셀 제작 최적화에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.
염료감응 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 광전극에 흡착되는 염료의 양을 증가시키는 것이 중요한데, 현재, 이를 위해서 스크린 프린팅, 졸겔 및 CVD 등을 이용하여 투명전극 위에 나노의 이산화티타늄을 증착하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 이와 같은 방법들로 형성된 다공성 이산화티타늄 광전극은 불규칙한 망사 구조를 갖고 있어 전자가 투명전극까지 충분히 전달되지 못하는 문제점을 갖고 있다. 이를 극복하기 위하여 나노튜브, 나노로드, 나노와이어와 같이 1차원으로 이루어진 재료가 광전극으로 사용되고 있다.
한편, 탄소나노튜브와 같이 전도성이 높은 물질을 반도체 금속산화물에 혼입함으로써 전자전달효율을 증대시키고자 하는 연구는 몇년 전부터 이뤄져 왔다. 이와 관련하여, 한국 공개특허공보 제10-2007-0025745호는 투명전극 및 금속산화물층의 계면에 기상증착법(CVD)이나 플라즈마 보강 화학 기상 증착법(PECVD)을 이용하여 탄소나노튜브층을 삽입하여 광전기화학전지 전극을 제조하는 방법에 대한 것으로서, 탄소나노튜브를 혼입하는 방법으로 반도체 금속산화물과 단순 혼합하여 혼합물을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 반도체 금속산화물에 혼합된 탄소나노튜브는 염료에서 전달되는 전자를 다시 금속산화물로 전달하지 않고 축적하는 저장조(reservoir) 역할을 함에 따라 오히려 광전환 효율 감소의 원인이 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전자의 이동을 향상시키고, 에너지 전환효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전도성 투명 기판, 상기 전도성 투명 기판 상에 형성된 제1 이산화티탄 나노입자층, 상기 제1 이산화티탄 나노입자층 상에 형성된 이산화티탄 나노튜브층 및 상기 이산화티탄 나노튜브층 상에 형성된 제2 이산화티탄 나노입자층을 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극을 제공한다.
또한, 상기 전도성 투명 기판은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide: TCO)이 코팅된 유리 기판 또는 투명 고분자 기판이며, 상기 투명 전도성 산화물은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide: ITO), 플루오린틴 옥사이드(Fluorine Tin Oxide: FTO), 산화주석, 안티몬 틴옥사이드(Antimony Tin Oxide: ATO) 또는 산화아연으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 이산화티탄 나노입자층 및 제2 이산화티탄 나노입자층의 두께는 5~20 ㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이산화티탄 나노튜브층의 두께는 5~30 ㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 이산화티탄 나노튜브층을 형성하는 단계, 전도성 투명 기판 상에 제1 이산화티탄 나노입자층을 형성하는 단계, 상기 제1 이산화티탄 나노입자층 상에 상기 이산화티탄 나노튜브층을 접합하는 단계, 상기 이산화티탄 나노튜브층 상에 제2 이산화티탄 나노입자층을 형성하는 단계 및 상기 이산화티탄 나노튜브층과 제2 이산화티탄 나노입자층을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 이산화티탄 나노튜브층을 형성하는 단계는 양극산화법으로 티타늄 모재의 표면에 1차 나노튜브층을 형성하는 1차 양극산화 단계, 상기 1차 나노튜브층을 열처리하는 단계, 상기 열처리된 1차 나노튜브층의 하단에 양극산화법으로 2차 나노튜브층을 형성하는 2차 양극산화 단계 및 상기 1차 나노튜브층을 티타늄 모재로부터 분리하는 1차 나노튜브층 분리 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 염료감응 태양전지용 광전극을 구비하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 광전극을 제조하는 단계, 상대전극을 제조하는 단계, 상기 광전극과 상기 상대전극을 부착하는 단계 및 부착된 상기 광전극과 상대전극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 의하면, 전도성 투명 전극 상에 형성된 제1 이산화티탄 나노입자층, 염료가 흡착된 제2 이산화티탄 나노입자층 및 상기 제1 이산화티탄 나노입자층과 상기 제2 이산화티탄 나노입자층 사이에 개재된 이산화티탄 나노튜브층의 구조를 포함함으로써, 염료에서 주입된 전자가 제1 이산화티탄 나노입자층을 거쳐 전도성이 높은 이산화티탄 나노튜브층으로 이동되어 광전자 전달속도를 향상시키고, 나노입자의 다공질층에 많은 염료가 흡착되어 광전환 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 3은 이산화티탄 나노튜브층을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 3은 이산화티탄 나노튜브층을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극(100)은 전도성 투명 기판(110), 상기 전도성 투명 기판(110) 상에 형성된 제1 이산화티탄 나노입자층(120), 상기 제1 이산화티탄 나노입자층(120) 상에 형성된 이산화티탄 나노튜브층(130) 및 상기 이산화티탄 나노튜브층(130) 상에 형성된 제2 이산화티탄 나노입자층(140)을 포함한다.
상기 전도성 투명 기판(110)은 통상적으로 유리 기판(10) 또는 투명 고분자 기판(10) 상에 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide: TCO)이 코팅된 구조를 가지며, 이때 투명 전도성 산화물(20)은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide: ITO), 플루오린틴 옥사이드(Fluorine Tin Oxide: FTO), 산화주석, 안티몬 틴옥사이드(Antimony Tin Oxide: ATO) 또는 산화아연 등을 그 예로 들 수 있다.
또한, 상기 투명 고분자 기판(10)의 재료로는 폴리에틸렌프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN),폴리카보네이트(PC) 등이 사용될 수 있다.
상기 제1 이산화티탄 나노입자층(120)의 코팅 두께는 5~20 ㎛로 한다.
상기 코팅 두께가 5 ㎛ 미만인 경우, 염료의 흡착량이 적기 때문에 태양전지의 효율을 급격하게 떨어뜨릴 수 있고, 20 ㎛ 초과인 경우, 염료의 흡착량은 늘어날 수 있지만 전자전달의 이동경로가 길어질 수 있어서 전자전달이 원활히 일어나지 못해 태양전지의 효율이 좋지 않게 된다.
상기 이산화티탄 나노튜브층(130)의 두께는 5~30 ㎛로 하는 것이 바람직하다. 즉, 5 ㎛ 미만인 경우, 염료의 흡착량이 적기 때문에 태양전지의 효율을 급격하게 떨어뜨릴 수 있고, 30 ㎛ 초과인 경우, 염료의 흡착량은 늘어날 수 있지만 전자전달의 이동경로가 길어질 수 있어서 전자전달이 원활히 일어나지 못해 태양전지의 효율이 좋지 않게 된다.
또한, 상기 이산화티탄 나노튜브층(130)은 그 기공크기가 나노튜브 제작시 산화시킬 때의 인가전압과 인가시간에 의해 결정될 수 있는데, 그 기공크기의 지름이 50~500 nm인 것이 바람직하다. 기공지름이 50 nm 미만인 경우에는 나노튜브의 제작이 매우 힘든 뿐만 아니라, 염료 흡착이 오히려 적게 이루어질 수 있고, 500 nm 초과인 경우 나노튜브가 견고하지 못 할뿐만 아니라, 표면적의 감소로 염료 흡착이 감소될 수 있기 때문이다.
상기 제2 이산화티탄 나노입자층(140)의 코팅 두께는 5~20 ㎛로 한다.
상기 코팅 두께에 대한 이유는 상기 제1 이산화티탄 나노입자층(120)의 두께에 대한 이유와 동일하다.
염료층(150)은 제2 이산화티탄 나노입자층(140)의 상부에 염료가 흡착되어 형성된다. 염료로는 Ru계 N719([RuL2(NCS)2]:2TBA, L=2.2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid, TBA=tetra-n-butylammonium)가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
이하에서는, 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극을 제조하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이고, 도 3은 이산화티탄 나노튜브층을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지용 광전극(100)을 제조하는 방법은 이산화티탄 나노튜브층(130)을 형성하는 단계(S110), 전도성 투명 기판(110) 상에 제1 이산화티탄 나노입자층(120)을 형성하는 단계(S210), 상기 제1 이산화티탄 나노입자층(120) 상에 상기 이산화티탄 나노튜브층(130)을 접합하는 단계(S310), 상기 이산화티탄 나노튜브층(130) 상에 제2 이산화티탄 나노입자층(140)을 형성하는 단계(S410) 및 상기 이산화티탄 나노튜브층(130)과 제2 이산화티탄 나노입자층(140)을 열처리하는 단계(S510)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 이산화티탄 나노튜브층(130)을 형성하게 되는데, 상기 이산화티탄 나노튜브층(130)은 다공성 나노구조를 가지며, 양극산화에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 이산화티탄 나노튜브층(130)을 형성하는 단계(S110)는 양극산화법으로 티타늄 모재의 표면에 1차 나노튜브층을 형성하는 1차 양극산화 단계(S120), 상기 1차 나노튜브층을 열처리하는 단계(S220), 상기 열처리된 1차 나노튜브층의 하단에 양극산화법으로 2차 나노튜브층을 형성하는 2차 양극산화 단계(S320) 및 상기 1차 나노튜브층을 티타늄 모재로부터 분리하는 1차 나노튜브층 분리 단계(S420)를 포함하여 이루어진다.
1차 양극산화 단계(S120)는 증류수로 세척한 티타늄 모재를 NH4F(불화암모늄)와 H2O가 함유된 C2H6O2(에틸렌글리콜) 용액에 1~3 시간 동안 40~60 V의 전압을 인가하여 이루어진다.
상기 1차 나노튜브층을 열처리하는 단계(S220)는 200~500 ℃에서 1~3 시간 수행하는 것이 바람직하며, 상기 열처리에 의해 이산화티탄 나노튜브층의 결정성이 향상되어 구조가 안정해진다.
2차 양극산화 단계(S320)는 상기 열처리된 나노튜브층의 하단에 양극산화법으로 2차 나노튜브층을 형성하며, 상기 열처리된 나노튜브층을 NH4F(불화암모늄)와 H2O가 함유된 C2H6O2(에틸렌글리콜) 용액에 5~30분 동안 40~60 V의 전압을 인가하여 이루어진다.
상기 2차 양극산화 단계는 열처리를 통해 결정성의 안정적인 구조를 가지는 1차 나노튜브층을 티타늄 모재로부터 용이하게 분리하기 위해 비정질(amorphous)의 2차 나노튜브층을 형성시키기 위해 수행된다.
상기 1차 나노튜브층을 기판으로부터 분리하는 나노튜브층 분리 단계(S420)는 30~40% 과산화수소에 1~3 시간 담근 후 1차 나노튜브층인 이산화티탄 나노튜브층(130)만 분리함으로써 수행된다.
이후, 전도성 투명 기판(110) 상에 제1 이산화티탄 나노입자층(120)을 닥터블레이드 방법 등의 공지의 습식 코팅법을 이용해 코팅하고, 상기 제1 이산화티탄 나노입자층(120) 위에 상기 이산화티탄 나노튜브층(130)을 붙인 후, 1차 열처리를 수행하게 된다. 상기 1차 열처리는 상기 제1 이산화티탄 나노입자층(120)과 상기 이산화티탄 나노튜브층(130)간의 접촉성을 좋게 하고, 페이스트 중 유기바인더 물질을 없애기 위해 400~500 ℃에서 1~3 시간동안 수행된다.
상기 접합된 이산화티탄 나노튜브층(130) 위에 염료의 흡착량을 증대시키기 위한 넓은 비표면적을 제공하기 위해 제2 이산화티탄 나노입자층(140)의 막의 두께를 조절하면서 닥터블레이드 방법으로 코팅한 후, 상기 접합된 이산화티탄 나노튜브층(130) 및 제2 이산화티탄 나노입자층(140)을 2차 열처리를 수행하게 된다. 상기 2차 열처리는 400~500 ℃에서 1~3 시간동안 수행되며, 이로 인해 이산화티탄 나노튜브(130) 및 이산화티탄 나노입자층(120, 140)의 결정성이 향상되어 구조가 안정해진다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지는 상기에서 상세히 설명한 광전극(100), 상대전극(200) 및 전해질(300)을 포함한다.
상기 상대전극(200)은 광전극(100)에 대향되게 위치하며, 투명기판(30), 상기 투명기판(30)의 하부에 접착된 투명 전도성 산화물층(40), 상기 투명 전도성 산화물층(40)의 하부에 형성된 전도성 박막(220)으로 구성된다.
투명기판(30)은 광전극(100)에서와 마찬가지로 유리기판이 사용되며, 전도성 박막(220)의 소재로는 백금(Pt)이 사용된다. 투명 전도성 산화물층(40)은 광전극(100)에서와 마찬가지로, 통상적으로 투명 전도성 산화물층(40)으로 사용되는 물질이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide: ITO), 플루오린틴 옥사이드(Fluorine Tin Oxide: FTO), 산화주석, 안티몬 틴옥사이드(Antimony Tin Oxide: ATO) 또는 산화아연 등을 그 예로 들 수 있다.
전도성 박막(220)은 투명 전도성 산화물층(40) 상에 10~30 nm 두께로 코팅되는 것이 바람직하다. 즉, 전도성 박막(220)의 두께가 10 nm 미만인 경우, 전도성이 저하되어 태양전지의 효율을 급격하게 떨어뜨릴 수 있고, 전도성 박막(220)의 두께가 30 nm 초과인 경우, 전자전달의 이동경로가 길어질 수 있어서 전자전달이 원활히 일어나지 못해 태양전지의 효율이 좋지 않게 된다.
상기 전해질(300)은 요오드 이온(I-/I3-) 산화환원쌍 성분을 갖는 것이 사용된다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 방법은 광전극(100)을 제조하는 단계(S100), 상대전극(200)을 제조하는 단계(S200), 상기 광전극(100)과 상기 상대전극(200)을 부착하는 단계(S300) 및 부착된 상기 광전극(100)과 상대전극(200) 사이에 전해질(300)을 주입하는 단계(S400)를 포함하여 이루어질 수 있다.
광전극(100)을 제조하는 단계(S100)는 전술한 바와 같이 이산화티탄 나노튜브층(130)을 형성하는 단계(S110), 전도성 투명 기판(110) 상에 제1 이산화티탄 나노입자층(120)을 형성하는 단계(S210), 상기 제1 이산화티탄 나노입자층(120) 상에 상기 이산화티탄 나노튜브층(130)을 접합하는 단계(S310), 상기 이산화티탄 나노튜브층(130) 상에 제2 이산화티탄 나노입자층(140)을 형성하는 단계(S410) 및 상기 이산화티탄 나노튜브층(130)과 제2 이산화티탄 나노입자층(140)을 열처리하는 단계(S510)를 포함하여 이루어진다.
상대전극(200)을 제조하는 단계(S200)는 일반적으로 전도성 투명 기판(210)을 사용하며, 상기 전도성 투명 기판(210)은 유리 기판(30) 또는 투명 고분자 기판(30)에 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide: TCO)이 코팅된 구조를 가진다. 상기 전도성 투명 기판(210)에 전해질(300) 주입을 위한 핀-홀을 형성하고, RF 스퍼터 장비를 이용하여 1~3×10-3 Torr의 압력과 100~150 ℃의 온도 조건에서 100~200 W를 인가하여 10~30 nm의 백금을 증착한다.
상기 광전극(100)과 상기 상대전극(200)을 부착하는 단계(S300)는 설린(Surlyn)소재를 사용하여 100~150 ℃에서 가열하여 부착시킴으로써 수행된다.
부착된 상기 광전극(100)과 상대전극(200) 사이에 전해질(300)을 주입하는 단계(S400)는 상대전극(200)에 형성된 핀-홀을 통해 산화환원용 전해질(요오드 이온(I-/I3-), 300)을 주입하고, 핀-홀을 커버글라스나 투명 테이프로 실링함으로써 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
1> 염료감응 태양전지용
광전극의
제조
0.25mm 두께이며 순도 99.6%의 티타늄 모재를 증류수로 세척한 후, 0.38 중량% NH4F(불화암모늄)와 1.79 중량% H2O가 함유된 C2H6O2(에틸렌글리콜) 용액에 상기 티타늄 모재를 양극으로 하여 50 V의 정전압을 120분 동안 인가하여 1차 양극산화를 수행하였다. 이후, 1차 양극산화를 통하여 형성된 이산화티탄 나노튜브를 결정성을 높이기 위해 450 ℃에서 2 시간동안 열처리하였다. 상기 열처리된 나노튜브를 0.38 중량% NH4F(불화암모늄)와 1.79 중량% H2O가 함유된 C2H6O2(에틸렌글리콜) 용액에 50 V의 정전압을 10분 동안 인가하여 2차 양극산화를 수행하였다. 2차 양극산화 후, 33% 과산화수소에 60분 담근후 이산화티탄 나노튜브만 분리하였다.
세척한 FTO 기판(110)위에 제1 이산화티탄 나노입자층(120)을 닥터블레이드법을 이용하여 6 ㎛ 두께로 코팅한 후, 그 상부에 상기 제조된 이산화티탄 나노튜브층(두께 15 ㎛, 130)을 형성시켰다. 그 상부에 제2 이산화티탄 나노입자층(140)을 닥터블레이드법을 이용하여 다시 6 ㎛ 두께로 코팅하였다. 이후, N719 염료용액에 24시간 이상 흡착시켜 본 발명의 광전극(100)을 제작하였다.
<
실시예
2> 염료감응 태양전지의 제조
FTO 기판(7Ω/□, 210)에 전해질(300) 주입을 위한 핀-홀을 형성하고, 상기 FTO 기판(210) 표면에 RF 스퍼터 장비를 이용하여 2.2×10-3 Torr 조건에서 150 W를 인가하여 20 nm두께의 백금을 증착하여 상대전극(200)을 제조하였다. 이후, 오븐에서 120 ℃의 온도로 가열하여 상기 실시예 1에서 제조된 광전극(100)과 상기 상대전극(200)을 60μm 두께의 설린 소재로 부착하였으며, 상대전극(200)에 형성된 핀-홀을 통해 요오드 이온(I-/I3-) 산화환원쌍 기반의 전해질(300)을 주입하였다. 상기 핀-홀을 투명테이프로 실링하여 본 발명의 염료감응 태양전지를 제조하였다.
<
비교예
> 염료감응 태양전지의 제조
상기 실시예 1에서 다공성 나노구조의 이산화티탄 나노튜브층(130)과 그 상부에 제2 이산화티탄 나노입자층(140)을 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 전지를 제작하였다.
본 발명에서와 같이 이산화티탄 나노튜브층(130)을 포함하는 광전극(100)을 태양전지로 이용하면 그렇지 않은 경우보다 에너지변환 효율이 우수함을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 광전극(100), 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지를 이용하면, 제1 이산화티탄 나노입자층(120), 제2 이산화티탄 나노입자층(140) 및 이산화티탄 나노튜브층(130)의 구조를 포함함으로써, 염료(150)에서 주입된 전자를 전도성이 높은 이산화티탄 나노튜브층(130)으로 이동하게 하여 광전자 전달속도를 향상시키고, 나노입자의 다공질층(140)에 많은 염료를 흡착하게 하여 광전환 효율을 증가시켜, 광전환 효율이 향상된 태양전지용 광전극(100) 및 이를 이용한 염료감응 태양전지를 제조할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 광전극 110: 전도성 투명 기판
10: 투명기판 20: 투명 전도성 산화물층
120: 제1 이산화티탄 나노입자층 130: 이산화티탄 나노튜브층
140: 제2 이산화티탄 나노입자층 150: 염료층
200: 상대전극 210: 전도성 투명 기판
30: 투명기판 40: 투명 전도성 산화물층
220: 전도성 박막
300: 전해질
10: 투명기판 20: 투명 전도성 산화물층
120: 제1 이산화티탄 나노입자층 130: 이산화티탄 나노튜브층
140: 제2 이산화티탄 나노입자층 150: 염료층
200: 상대전극 210: 전도성 투명 기판
30: 투명기판 40: 투명 전도성 산화물층
220: 전도성 박막
300: 전해질
Claims (8)
- 전도성 투명 기판; 상기 전도성 투명 기판 상에 형성된 제1 이산화티탄 나노입자층; 상기 제1 이산화티탄 나노입자층 상에 형성된 이산화티탄 나노튜브층; 및 상기 이산화티탄 나노튜브층 상에 형성된 제2 이산화티탄 나노입자층을 포함하는 염료감응 태양전지용 광전극.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 투명 기판은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide: TCO)이 코팅된 유리 기판 또는 투명 고분자 기판이며, 상기 투명 전도성 산화물은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide: ITO), 플루오린틴 옥사이드(Fluorine Tin Oxide: FTO), 산화주석, 안티몬 틴옥사이드(Antimony Tin Oxide: ATO) 또는 산화아연으로 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극. - 제1항에 있어서,
상기 제1 이산화티탄 나노입자층 및 제2 이산화티탄 나노입자층의 두께는 5~20 ㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극. - 제1항에 있어서,
상기 이산화티탄 나노튜브층의 두께는 5~30 ㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극. - 이산화티탄 나노튜브층을 형성하는 단계;
전도성 투명 기판 상에 제1 이산화티탄 나노입자층을 형성하는 단계;
상기 제1 이산화티탄 나노입자층 상에 상기 이산화티탄 나노튜브층을 접합하는 단계;
상기 이산화티탄 나노튜브층 상에 제2 이산화티탄 나노입자층을 형성하는 단계; 및
상기 이산화티탄 나노튜브층 및 제2 이산화티탄 나노입자층을 열처리하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 이산화티탄 나노튜브층을 형성하는 단계는
양극산화법으로 티타늄 모재의 표면에 1차 나노튜브층을 형성하는 1차 양극산화 단계;
상기 1차 나노튜브층을 열처리하는 단계;
상기 열처리된 1차 나노튜브층의 하단에 양극산화법으로 2차 나노튜브층을 형성하는 2차 양극산화 단계; 및
상기 1차 나노튜브층을 티타늄 모재로부터 분리하는 1차 나노튜브층 분리 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 염료감응 태양전지용 광전극을 구비하는 염료감응 태양전지.
- 제5항 또는 제6항에 기재된 방법에 따라 광전극을 제조하는 단계;
상대전극을 제조하는 단계;
상기 광전극 및 상기 상대전극을 부착하는 단계; 및
부착된 상기 광전극 및 상대전극 사이에 전해질을 주입하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020140143238A KR101538640B1 (ko) | 2014-10-22 | 2014-10-22 | 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 |
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| KR1020140143238A KR101538640B1 (ko) | 2014-10-22 | 2014-10-22 | 염료감응 태양전지용 광전극, 그 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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