KR101559228B1 - 젤라틴을 사용하여 제조되는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

염료감응 태양전지의 제조 방법이 제공된다. 상기 염료감응 태양전지의 제공 방법은, 젤라틴을 포함하는 소스 용액을 준비하는 단계, 상기 소스 용액을 이용하여 다공성 막을 제조하는 단계, 전해액을 상기 다공성 막에 함침하는 단계, 및 상기 전해액이 함침된 상기 다공성 막을, 광전 변환층이 형성된 제1 기판 및 전극막이 형성된 제2 기판 사이에 배치시키는 단계를 포함한다.

Description

젤라틴을 사용하여 제조되는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법{Dye-sensitized solar cell using gelatin and method of fabricating the same}
본 발명은 젤라틴을 사용하여 제조되는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 젤라틴을 이용하여 제조된 다공성 막을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
태양전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 광전 에너지 변환 시스템(photovoltaic energy conversion system)이다.
실리콘 태양전지는 상기 광전 에너지 변환을 위해 실리콘 내에 형성되는 p-n 접합다이오드(p-n junction diode)를 이용하지만, 전자 및 홀의 때이른 재결합(premature recombination)을 방지하기 위해서는, 사용되는 실리콘이 높은 순도 및 낮은 결함을 가져야 한다. 이러한 기술적 요구는 사용되는 재료 비용의 증가를 가져오기 때문에, 실리콘 태양전지의 경우, 전력당 제조비용이 높다. 이에 더하여, 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 광자들(photons)만이 전류를 생성하는데 기여하기 때문에, 실리콘 태양전지의 실리콘은 가능한 낮은 밴드갭(bandgap)을 갖도록 도핑된다. 하지만, 이처럼 낮춰진 밴드갭 때문에, 청색광 또는 자외선에 의해 여기된 전자들(excited electrons)은 과도한 에너지를 갖게 되어, 전류생산에 기여하기 보다는 열로써 소모되는 문제점이 있다.
또한, 광자(photon)가 캡쳐링(capturing)될 가능성을 증가시키기 위해서는, p형 층(p-type layer)은 충분히 두꺼워야 하지만, 이러한 두꺼운 p형 층은 여기된 전자가 p-n 접합에 도달하기 전에 정공과 재결합 할 가능성을 증가시키기 때문에, 실리콘 태양전지의 효율은 대략 7 내지 15% 근방에서 머무르는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cells, DSSCs)에 대한 연구개발이 진행 중이다. 염료감응 태양전지는 염료층이 흡착된 반도체 전극층, 반도체 전극층에 대향하는 전극막, 및 이들 사이를 채우는 전해질로 구성된다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개공보 10-2012-0026317(출원번호 10-2010-0088471)에는 반도체 전극, 대향 전극, 및 이들 사이를 채우는 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지가 개시되어 있다.
하지만, 염료감응 태양전지의 사용 기간이 증가하는 경우, 액체 전해질이 누수되거나, 또는 증발될 수 있다. 이 경우, 염료감응 태양전지의 효율 및 가용 기간이 감소되는 문제점이 있다. 또한, 염료감응 태양전지의 제조에 인체에 유해한 물질이 사용되는 경우, 유해 물질의 사용에 대해서 각종 규제에 대한 제재를 받을 수 있다. 이에 따라, 전해액의 누수 및 증발을 최소화시키고, 환경친화적인 염료감응 태양전지에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 전해액의 누수 및 증발이 최소화된 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 장수명의 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 제조 단가가 감소된 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 친환경적인 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 염료감응 태양전지의 제조 방법은, 젤라틴을 포함하는 소스 용액을 준비하는 단계, 상기 소스 용액을 이용하여 다공성 막을 제조하는 단계, 전해액을 상기 다공성 막에 함침하는 단계, 및 상기 전해액이 함침된 상기 다공성 막을, 광전 변환층이 형성된 제1 기판 및 전극막이 형성된 제2 기판 사이에 배치시키는 단계를 포함한다.
상기 소스 용액을 이용하여 상기 다공성 막을 제조하는 단계는, 노즐과 콜렉터(collector) 사이에 전기장을 인가하는 단계, 상기 노즐에서 상기 소스 용액을 방사시키는 단계, 방사된 상기 소스 용액을 상기 콜렉터에서 수집하는 단계, 및 방사된 상기 소스 용액을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소스 용액을 준비하는 단계는, 상기 젤라틴을 용매에 용해하는 것을 포함할 수 있다.
상기 소스 용액을 준비하는 단계는, 수용성 고분자를 상기 용매에 용해하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 수용성 고분자는, 아크릴레이트계 고분자, 카르복실계 고분자, 아세테이트계 고분자, 비닐 알코올계 고분자, 셀룰로오스계 고분자, 풀루란계 고분자, 또는 수크로우스계 고분자 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전해액을 상기 다공성 막에 함침하는 단계는, 상기 다공성 막을 상기 전해액에 담그는(dip) 단계, 및 일정 시간이 경과한 후, 상기 다공성 막을 상기 전해액에서 꺼내는 단계를 포함할 수 있다.
상기 젤라틴은 젤라틴 유도체를 포함할 수 있다.
상기 젤라틴 유도체는, 프탈화 젤라틴, 에스터화 젤라틴, 아미드화 젤라틴, 또는 포르밀화 젤라틴 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광전 변환층은, 상기 제1 기판 상의 전극 입자, 및 상기 전극 입자의 표면에 흡착된 염료층을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 염료감응 태양전지를 제공한다.
상기 염료감응 태양전지는, 제1 기판 상의 광전 변환층, 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판, 상기 광전 변환층 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 전해액이 함침된 다공성 막, 및 상기 다공성 막 및 상기 제2 기판 사이의 전극막을 포함한다.
상기 다공성 막은 젤라틴으로 형성된 것을 포함할 수 있다.
상기 젤라틴은 젤라틴 유도체를 포함할 수 있다.
상기 젤라틴 유도체는, 프탈화 젤라틴, 에스터화 젤라틴, 아미드화 젤라틴, 또는 포르밀화 젤라틴 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 다공성 막은, 복수의 섬유(fiber)들에 의해 구성되고, 상기 복수의 섬유들은 서로 교차되는 것을 포함할 수 있다.
상기 전해액은 상기 복수의 섬유들의 교차에 의해 형성된 기공에 함침되는 것을 포함할 수 있다.
상기 광전 변환층은, 상기 제1 기판 상의 전극 입자, 및 상기 전극 입자의 표면에 흡착된 염료층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 젤라틴이 포함된 소스 용액을 이용하여 다공성 막이 제조되고, 상기 다공성 막에 전해액이 함침된 염료감응 태양전지가 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 전해액의 누수 및 증발이 최소화되어, 장수명의 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 무해하고 가격이 저렴한 젤라틴을 이용함으로써, 제조 단가가 감소되고, 친환경적인 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 다공성 막이 전해액에 대해 높은 친화성을 갖는 젤라틴으로 제조되어, 광전 변환 효율이 증가된 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에 따라 소스 용액을 이용하여 다공성 막을 제조 단계를 설명하기 위한 것이다
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 A 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지에 포함된 다공성 막을 설명하기 위한 전자 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 특성을 설명하기 위한 전압-전류밀도 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 수명을 설명하기 위한 시간-광전 변환 효율 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에 따라 소스 용액을 이용하여 다공성 막을 제조 단계를 설명하기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 소스 용액(source solution)이 준비된다.(S110) 상기 소스 용액은 젤라틴을 포함할 수 있다. 상기 소스 용액은, 용매에 상기 젤라틴이 용해된 것일 수 있다. 예를 들어, 아세트산(acetic acid), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 및 물이 부피비 5:3:2로 혼합된 용매를 준비하고, 상기 용매에 10 중량%의 젤라틴을 용해시켜, 상기 소스 용액이 제조될 수 있다.
상기 젤라틴은, 순수 젤라틴 외에, 젤라틴 유도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 젤라틴 유도체는 프탈화 젤라틴, 에스터화 젤라틴, 아미드화 젤라틴, 또는 포르밀화 젤라틴 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 소스 용액은, 상기 젤라틴 외에, 수용성 고분자를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수용성 고분자는, 아크릴레이트계 고분자, 카르복실계 고분자, 아세테이트계 고분자, 비닐 알코올계 고분자, 셀룰로오스계 고분자, 풀루란계 고분자, 또는 수크로우스계 고분자 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 수용성 고분자는, 상기 젤라틴 대비, 10~70중량% 상기 소스 용액에 투입될 수 있다.
상기 소스 용액을 이용하여 다공성 막이 제조될 수 있다.(S120) 도 2를 참조하면, 상기 소스 용액을 이용하여 상기 다공성 막을 제조하는 단계는, 전원 공급부(P)가 노즐(N)과 콜렉터(C) 사이에 전기장을 인가하는 단계, 상기 노즐(N)에서 상기 소스 용액이 방사되는 단계, 방사된 상기 소스 용액이 상기 콜렉터(C)에서 수집되는 단계, 및 방사된 상기 소스 용액을 건조시켜 상기 다공성 막을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전원 공급부(P)는 상기 콜렉터(C)보다 상기 노즐(N)에 더 높은 레벨(level)의 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 상기 노즐(N)에서 상기 콜렉터(C)의 방향으로 전기장이 생성될 수 있다. 상기 노즐(N)과 상기 콜렉터(C) 사이에 생성된 전기장에 의해, 상기 노즐(N)의 끝단에서 상기 소스 용액의 메니스커스(meniscus)가 형성될 수 있다. 상기 소스 용액의 메니스커스에 임계 값 이상의 전기력이 가해지는 경우, 상기 소스 용액의 메니스커스로부터 상기 콜렉터(C)를 향하여, 상기 소스 용액이 일 방향으로 연장하는 섬유(fiber) 형태로 방사될 수 있다. 방사된 상기 복수의 섬유들은 롤러 형태의 상기 콜렉터(C)에 권취될 수 있다. 도 2에 도시된 것과 달리, 상기 콜렉터(C)는 평판 형태로 제공될 수 있다.
상기 다공성 막은 상기 소스 용액으로 형성된 복수의 섬유들로 구성될 수 있다. 상기 다공성 막에 존재하는 기공들은, 상기 복수의 섬유들의 교차 지점에 형성될 수 있다.
상기 다공성 막에 전해액이 함침될 수 있다.(S130) 보다 구체적으로, 상기 다공성 막을 구성하는 복수의 섬유들의 교차 지점에 형성된 기공들에 상기 전해액이 함침될 수 있다.
상기 다공성 막에 상기 전해액을 함침하는 단계는, 상기 전해액을 준비하는 단계, 상기 다공성 막을 상기 전해액에 담그는(dip) 단계, 및 일정 시간이 경과한 후, 상기 다공성 막을 상기 전해액에서 꺼내는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 전해액은, 요오드계 산화환원 전해액(redox iodide electrolyte)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전해액은 아세토니트릴(acetonitrile) 용매에 0.5M의 LiI와 0.05M의 I2, 0.5M의 4-tertiary butylpyridine이 첨가된 것일 수 있다. 다른 예를 들면, 상기 전해액은 alkylimidazolium iodides 또는 tetra-alkyl ammoniumiodides을 포함할 수 있으며, tert-butylpyridin (TBP), benzimidazole(BI) 및 N-Methylbenzimidazole (NMBI)를 표면 첨가제(surface additives)로 더 포함할 수 있으며, acetonitrile, propionitrile 또는 acetonitrile과 valeronitrile의 혼합액이 용매로서 사용될 수 있다.
상기 전해액이 함침된 상기 다공성 막이, 광전 변환층이 형성된 제1 기판 및 전극막이 형성된 제2 기판 사이에 배치될 수 있다.(S130)
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 FTO, ITO, ATO, SnO2, ZnO, 또는 탄소 나노 튜브 등으로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 금속들 또는 금속 합금들 중의 적어도 어느 한가지를 포함할 수 있다.
또는, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 전도층이 코팅된 유리, 전도층이 코팅된 고분자 필름, 또는 플렉시블한 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 폴리에틸렌 테레프탈라이드(PET), 폴리카보네이트(폴리탄산에스테르), 폴리이미드 또는 폴리에틸렌나프탈라이드 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 광전 변환층은, 상기 제1 기판 상의 전극 입자, 및 상기 전극 입자의 표면에 흡착된 염료층을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환층은, 상기 제1 기판 상에 전극 입자들을 형성하고, 상기 전극 입자들의 표면에 염료층을 흡착시켜 형성될 수 있다.
상기 전극 입자는 전이 금속 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 입자는, TiO2, SnO2, ZrO2, SiO2, MgO, Nb2O5, 및 ZnO중의 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 염료층은 루테늄 흡착체일 수 있다. 예를 들어, 상기 염료는 N719 (Ru(dcbpy)2(NCS)2 containing 2 protons)일수 있다. 또한, 상기 염료층은 N712, Z907, Z910, 및 K19 등과 같은 염료들 중의 적어도 한가지일 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법으로 제조된 태양 전지가 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3의 A 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지는 서로 대향하는 제1 기판(100), 및 제2 기판(200), 상기 제1 기판(100) 상의 광전 변환층(110), 상기 제2 기판(200) 상의 전극막(220), 및 상기 광전 변환층(110) 및 상기 제2 기판(200) 사이에 배치되고 전해액이 함침된 다공성 막(250)을 포함할 수 있다.
상기 광전 변환층(110)은 상기 제1 기판(100)의 일면 상에 배치될 수 있다. 상기 광전 변환층(110)은 상기 제1 기판(100)의 상기 일면 상의 전극 입자들(112), 및 상기 전극 입자들(112)의 표면에 흡착된 염료층(114)을 포함할 수 있다.
상기 전극막(220)과 상기 광전 변환층(110) 사이에, 상기 전해액이 함침된 다공성 막(250)이 배치될 수 있다. 상기 다공성 막(250)은, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 일 방향으로 연장되는 복수의 섬유들(252)이 서로 교차되어 구성될 수 있다. 상기 전해액은 상기 복수의 섬유들(252)의 교차에 의해 형성된 기공(254)에 함침될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 젤라틴이 포함된 상기 소스 용액을 이용하여 상기 다공성 막(250)이 제조되고, 상기 다공성 막(250)에 상기 전해액을 함침하여 염료감응 태양전지가 제조될 수 있다. 상기 전해액이 상기 다공성 막(250)에 함침된 상태로 염료감응 태양전지에 사용되어, 상기 전해액의 누수 및 증발이 최소화된다. 이에 따라, 염료감응 태양전지의 가용기간이 증가되어, 장수명의 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 인체에 무해하고 가격이 저렴한 젤라틴을 이용하여 염료감응 태양전지를 제조함으로써, 친환경적이고 제조 단가가 감소된 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지에 포함된 상기 다공성 막(250)은, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 전해액에 대해 친화성이 높은 젤라틴이 포함된 소스 용액을 이용하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환 효율이 증가된 고효율의 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따라 전해액이 함침된 다공성 막을 포함하는 염료감응 태양전지의 특성이 설명된다.
실시 예에 따른 전해액이 함침된 다공성 막 제조
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지에 포함된 다공성 막을 설명하기 위한 전자 현미경 사진이다.
도 5를 참조하면, 아세트산(acetic acid), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 및 물이 부피비 5:3:2로 혼합된 용매를 준비하였다. 상기 용매에 10중량% 젤라틴을 첨가하고, 45℃에서 교반하여 완전히 용해시켜, 소스 용액을 제조하였다.
노즐에 17kV의 전압을 공급하고, 콜렉터를 그라운드(ground)에 접지시키고, 0.5ml/h의 공급 속도로 젤라틴이 용해된 상기 소스 용액을 공급하였다. 롤러 형태의 콜렉터를 150rpm의 속도로 회전시키면서, 노즐에서 방사되는 상기 소스 용액을 수집하였다. 이후, 110℃의 진공 오븐에서 24시간 동안 건조 공정을 수행하여, 젤라틴을 포함하는 다공성 막을 제조하였다.
도 5에서 알 수 있듯이, 상기 다공성 막은, 젤라틴을 포함하는 상기 소스 용액으로 형성된 복수의 섬유들로 구성된다. 상기 다공성 막 내에, 상기 복수의 섬유들의 교차에 의해 형성된 기공들이 다수 존재함을 확인할 수 있다.
계속해서, 아세토니트릴(acetonitrile) 용매에 0.5M의 LiI와 0.05M의 I2, 0.5M의 4-tertiary butylpyridine이 첨가된 전해액을 제조하였다. 상기 전해액에, 상기 다공성 막을 담근 후 꺼내어, 상기 전해액이 함침된 상기 다공성 막을 제조하였다.
실시 예에 따른 전해액이 함침된 다공성 막을 갖는 염료감응 태양전지 제조
<실시 예에 따른 염료감응 태양전지 제조>
불소가 도핑된 산화주석 유리 기판을 제1 기판으로 사용하였다. 상기 제1 기판을 이소프로필알콜(isopropyl alcohol), 아세톤(acetone), 및 증류수를 이용하여, 초음파 세척기로 세척하였다. 광전 변환층의 전극입자를 제조하기 위해, 부탄올(butanol) 용액에 티타늄 이소프록폭사이드(titanium isopropoxide)를 용해하였다.
티타늄 이소프록폭사이드(titanium isopropoxide)가 용해된 용액을, 상기 제1 기판에 스핀 코팅하였다. 이후, 상기 제1 기판을 450℃에서 30분간 열처리하여, 상기 제1 기판 상에 TiO2 전극 입자를 생성하였다. 상기 제1 기판을 다시 80℃에서 30분간 열처리를 수행하고, 티타늄 이소프록폭사이드(titanium isopropoxide)가 용해된 용액을 스핀 코팅하고, 450℃에서 30분간 열처리하였다.
이후, 염료가 용해된 40℃의 용액에 상기 제1 기판을 18시간 동안 침지하여 염료를 TiO2 전극 입자의 표면에 흡착시켜, 상기 제1 기판 상에 광전 변환층을 제조하였다.
제2 기판으로, 상기 제1 기판과 동일하게, 불소가 도핑된 산화주석 기판을 사용하였다. 이소프로필알콜(isopropyl alcohol)에 염화백금산(chloroplatinic acid)이 용해된 용액을 상기 제2 기판 상에 스핀 코팅하였다. 이후, 상기 제2 기판을 450℃에서 30분간 열처리하여, 상기 제2 기판 상에 백금층을 코팅하였다.
아세토니트릴(acetonitrile) 용매에 0.5M의 LiI와 0.05M의 I2, 0.5M의 4-tertiary butylpyridine이 첨가된 전해액을 상기 다공성 막에 함침시켰다. 상기 전해액이 함침된 상기 다공성 막을 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치시켜, 실시 예에 따른 태양 전지를 제조하였다.
<비교 예에 따른 염료감응 태양전지 제조>
실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에서 상술된 바와 같이, 상기 광전 변환층이 형성된 제1 기판 및 백금층이 형성된 제2 기판을 제조하였다. 이후, 상술된 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법과 달리, 상기 전해액이 함침된 상기 다공성 막을 생략하고, 상기 전해액을 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 주입하여, 비교 예에 따른 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시 예 및 비교 예에 따른 염료감응 태양전지의 전압-전류 특성 비교
상술된 실시 예 및 비교 예에 따른 염료감응 태양전지들에 100mWcm-2 제논(xenon) 광을 사용하여 전기화학적 특성을 평가하였다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 특성을 설명하기 위한 전압-전류밀도 그래프이고, <표 1>은 실시 예 및 비교 예에 따른 염료감응 태양전지의 단락 전류밀도, 개방전압, 충진 계수(fill factor, FF), 및 광전 변환 효율을 나타낸다.
구분 단락 전류밀도(mA/cm2) 개방전압(V) 충진계수 효율(%)
비교 예 14.0 0.68 0.69 6.64
실시 예 15.2 0.69 0.66 6.95
도 6 및 <표 1>을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 경우, 비교 예에 따른 염료감응 태양전지와 비교하여, 단락 전류밀도가 1.2mA/cm2 높고, 광전 변환 효율이 약 4.7% 증가하는 것으로 측정되었다. 즉, 젤라틴을 이용하여 제조된 상기 다공성 막에 전해액을 함침시켜, 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, 전해액에 대한 젤라틴의 친화성으로 인해, 염료감응 태양전지의 광전 변환 효율이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
실시 예 및 비교 예에 따른 염료감응 태양전지의 수명 비교
상술된 실시 예 및 비교 예에 따른 염료감응 태양전지들을 25℃에 보관하면서, 광전 변환 효율을 측정하여, 실시 예 및 비교 예에 따른 염료감응 태양전지들의 장기간 안전성을 테스트하였다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 수명을 설명하기 위한 시간-광전 변환 효율 그래프이다.
도 7을 참조하면, 비교 예에 따른 염료감응 태양전지의 광전 변환 효율은, 시간이 지남에 따라, 급격하게 감소하는 것으로 측정되었다. 하지만, 실시 예에 따른 염료감응 태양전지의 광전 변환 효율은, 시간이 지나더라도, 비교 예에 따른 염료감응 태양전지와 비교하여, 상대적으로 감소량이 적은 것으로 측정되었다.
본 발명의 실시 예에 따라, 전해액이 젤라틴으로 형성된 다공성 막에 함침된 상태로, 염료감응 태양전지에 사용되는 경우, 염료감응 태양전지의 사용 기간이 늘어나더라도, 전해액의 누수 및 증발이 최소화되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 전해액이 함침된 젤라틴 다공성 막을 사용하는 것이, 염료감응 태양전지의 수명을 향상시키는 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 제1 기판
110: 광전 변환층
112: 전극 입자들
114: 염료층
200: 제2 기판
220: 전극막
250: 전해액이 함침된 다공성 막

Claims (15)

  1. 젤라틴을 포함하는 소스 용액을 준비하는 단계;
    상기 소스 용액을 이용하여 다공성 막을 제조하는 단계;
    전해액을 상기 다공성 막에 함침(含浸, impregnate)하는 단계; 및
    상기 전해액이 함침된 상기 다공성 막을, 광전 변환층이 형성된 제1 기판 및 전극막이 형성된 제2 기판 사이에 배치시키는 단계를 포함하되,
    상기 소스 용액을 이용하여 다공성 막을 제조하는 단계는,
    노즐과 콜렉터 사이에 전기장을 인가하는 단계;
    상기 콜렉터를 향하여 상기 노즐에서 상기 소스 용액을 방사시키는 단계;
    상기 소스 용액이 방사된 섬유(fiber)를 상기 콜렉터가 권취하면서 수집하는 단계; 및
    권취 및 수집된 상기 섬유를 건조시켜 상기 다공성 막으로 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 다공성 막은, 순수 젤라틴으로 형성된 복수의 상기 섬유가 교차되어 형성된 기공을 포함하고, 상기 기공 내에 상기 전해액이 함침되는 것을 포함하는 염료감응 태양 전지의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 소스 용액을 준비하는 단계는,
    상기 젤라틴을 용매에 용해하는 것을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 소스 용액을 준비하는 단계는,
    수용성 고분자를 상기 용매에 용해하는 것을 더 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 수용성 고분자는, 아크릴레이트계 고분자, 카르복실계 고분자, 아세테이트계 고분자, 비닐 알코올계 고분자, 셀룰로오스계 고분자, 풀루란계 고분자, 또는 수크로우스계 고분자 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전해액을 상기 다공성 막에 함침하는 단계는,
    상기 다공성 막을 상기 전해액에 담그는(dip) 단계; 및
    일정 시간이 경과한 후, 상기 다공성 막을 상기 전해액에서 꺼내는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 젤라틴은 젤라틴 유도체를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 젤라틴 유도체는, 프탈화 젤라틴, 에스터화 젤라틴, 아미드화 젤라틴, 또는 포르밀화 젤라틴 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 광전 변환층은,
    상기 제1 기판 상의 전극 입자; 및
    상기 전극 입자의 표면에 흡착된 염료층을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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